Горячая сила земли, получаемая за счёт протекания естественных процессов (тепло планеты, сохранившееся со времён формирования, тепловая мощность, вырабатываемая ею за счет радиоактивных элементов, трение) – называется геотермальной энергией. На рис. 1 представлено распределение температуры от цента Земли к ее поверхности.
Рис. 1
Геотермальная энергетика – направление энергетики, основанное на использовании тепловой энергии недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, или непосредственно для отопления или горячего водоснабжения. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы (Википедия)
Запасы тепла Земли практически неисчерпаемы. При остывании ядра на 1 °С выделяется 2*1020 кВт*ч энергии, что в 10000 раз больше, чем содержится во всем разведанном ископаемом топливе, и в миллионы раз больше годового энергопотребления человечества. При этом температура ядра превышает 6000 °С, а скорость остывания оценивается в 300-500 °С за миллиард лет.
Тепловой поток, текущий из недр Земли через её поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт⋅ч в год, что в 17 раз больше всей мировой выработки, и эквивалентно сжиганию 46 млрд тонн угля), а тепловая мощность, вырабатываемая Землей за счет радиоактивного распада урана, тория и калия-40 оценивается в 33±2028 ТВт, т.е. до 70% теплопотерь Земли восполняется. Использование даже 1% этой мощности эквивалентно нескольким сотням мощных электростанций. Однако плотность теплового потока при этом составляет менее 0,1 Вт/м2 (в тысячи и десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения), что затрудняет её использование.
Доступ к подземной энергии
В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин.
Для генерации электроэнергии целесообразно использовать геотермальную воду температурой от 150°C и выше. Даже для отопления и горячего водоснабжения требуется температура не ниже 50°C. Температура Земли растёт с глубиной довольно медленно, обычно геотермический градиент составляет всего 30°C на 1 км, т.е. даже для горячего водоснабжения потребуется скважина глубиной более километра, а для генерации электроэнергии — несколько километров. Поэтому практически все крупные ГеоЭС расположены в местах повышенного вулканизма, т.е. где геотермальные воды находятся близко к поверхности.
На данный момент освоением геотермальной энергии активно занимаются: США, Исландия, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Сальвадор, Венгрия, Япония, Россия, Мексика, Кения и другие страны, где тепло из недр планеты поднимается к поверхности в форме пара и горячей воды, вырывающихся наружу при температурах, достигающих 300 °С.
Тепловая энергия Земли в виде горячей воды или пара доставляется на поверхность, где используется либо напрямую, например, для отопления домов, либо для генерации электрической энергии. Как было сказано выше, до тепловой энергии Земли, как правило, добираются путём бурения скважин, а подъем горячей жидкости осуществляется посредством погружных насосов.
Принципы работы геотермальных электростанций
В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов:
- прямая с использованием сухого пара,
- непрямая с использованием водяного пара,
- смешанная схема производства (бинарный цикл).
Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор.
Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространёнными. Они используют горячую подземную воду (температурой до 182 0С), которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности.
Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.
Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару
Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару (Рис.2). Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в его транспортировке и хранении). Это старейшие геотермальные электростанции, первая из них была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.
Рис. 2
Геотермальные электростанции на парогидротермах
Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 180 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается (Рис.3). Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.
Рис. 3
Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии
Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 1800 С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник (Рис.4). Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространённым геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе. Как выглядит такая электростанция в реальности, показано на рисунке 5.
Рис. 4
Рис. 5
Новомет в геотермальных проектах
На геотермальных проектах сегодня с успехом применяются высокопроизводительные термостойкие насосные системы «Новомет» (Рис.6-7), экономия затрат электроэнергии при этом составляет 28%.
В 2018-2019 г. специалисты «Новомет» для решения задачи рентабельной эксплуатации геотермального месторождения применили весь накопленный опыт в производстве нефтепогружного оборудования для осложненных условий. Пилотной площадкой для освоения данного проекта компании стала Турция. Проведен ряд монтажей установок в специальном коррозионностойком и термостойком исполнении с приводом от вентильных электродвигателей, которые характеризуются пониженным тепловыделением.
Рис. 6
После получения положительных результатов первых испытаний было решено использовать полученный опыт для разработки новой линейки высокопроизводительных насосов. Кроме того, при осуществлении геотермальных проектов важен объем поднимаемой воды: требовалась разработка еще более высокопроизводительных насосов и высокомощных электродвигателей. Новые установки получили название Geyser.
В конце ноября 2019 года были отгружены три энергоэффективные установки Geyser производительностью 10000 м3/сут (NV75500), укомплектованные вентильными электродвигателями мощностью 660 кВт. В настоящее время данные установки находятся в работе. Всего в скважинах на сегодня находится 21 установка Geyser компании «Новомет». Максимальная наработка превысила 380 суток. Температура добываемой жидкости находится в пределах 155-1950С.
Применение УЭЦН Geyser производства АО «Новомет-Пермь» снизило количество электроэнергии, необходимое для перекачки кубического метра воды. Для примера: ближайший конкурирующий насос в регионе использует 1,25 кВт*ч на кубический метр добываемой воды, в то время как система компании «Новомет» потребляет всего 0,9 кВт*ч для подъема того же объема воды. Разница составляет 28%.
Сегодня использование альтернативных источников энергии особенно актуально, и в дальнейшем будет только расти. Большинство стран на государственном уровне вынуждены внедрять дорогостоящие программы, снижающие расход энергии и сокращающие выбросы парниковых газов. Россия в 2019 году присоединилась к Парижскому соглашению по климату, участники которого договорились планомерно снижать выбросы CO2 в атмосферу, и наладить международный обмен «зелеными» технологиями в сфере энергоэффективности, промышленности, строительства и других, с целью сдерживания повышения глобальной среднегодовой температуры на планете.
Следует отметить, что активно развивая энергоэффективные технологии и технологию Geyser, «Новомет» вносит свой вклад в развитие альтернативной, «зеленой» энергетики и способствует выполнению условий Парижского соглашения.
Автор: С. Егорова
