| Аннотация |
Мировой тренд на развитие энергетических систем с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для экономии ископаемых видов топлива и решения экологических проблем местного и глобального уровня делает актуальным наряду с применением для этих целей солнечной, ветровой и гидравлической энергии водных потоков использование геотермального тепла Земли.
Согласно данным, содержащимся в отчете IRENA "Статистика возобновляемых источников энергии за 2024 год", суммарная установленная мощность ГеоЭС в мире в период с 2000 по 2004 гг. выросла с 8 272,7 МВт до 14 845,9 МВт. В России эти показатели соответственно составили за этот период времени скромные 23 МВт и 74 МВт .Наиболее интенсивно в последние годы увеличиваются мощности геотермальной генерации в США, Индонезии, Турции, Кении, Коста-Рике, Филиппинах, Чили, Китае, Никарагуа, Канаде и Тайване. В ряде стран, относящихся к зонам молодого вулканизма, электроэнергия геотермального происхождения составляет значительную долю в общем энергобалансе: к ним относятся Исландия, Кения, Сальвадор, Новая Зеландия, Никарагуа, Коста-Рика, Филиппины.
Обзоры современного состояния и направлений исследований в области развития геотермальной энергетики показывают, что неуклонно растет интерес к использованию бинарных энергоустановок для утилизации геотермального тепла, и расширяется география использования геотермальных ресурсов, в том числе в Арктической зоне.
В Российской Федерации региональным лидером по использованию геотермальных ресурсов является Камчатский край - единственный регион, где действуют 3 геотермальные электростанции общей мощностью около 75 МВт.
Для решения задач социально-экономического развития удаленных и северных территорий Российской Федерации, в том числе Камчатского края, первоочередное значение приобретают стабильное, а также экономически целесообразное энергообеспечение и теплоснабжение.
В настоящее время для электроснабжения и теплоснабжения промышленных и гражданских потребителей, а также объектов специального назначения в энергоизолированных узлах отдаленных регионов Российской Федерации, к которым относятся Камчатка, Сахалинская область, Республика Саха (Якутия) и др., используются дизельные электростанции и мазутные котельные со сложной логистикой доставки топлива, что в конечном итоге определяет высокую себестоимость производства электроэнергии, а также загрязнение окружающей природной среды стоками остатков топлива и влияние на климат продуктов их сжигания.
В целом на зоны децентрализованного энергоснабжения приходится почти 65 % территории России, где проживает чуть менее 14 % населения страны. При этом расходы федерального бюджета на субсидирование тарифов для населения и организаций, в среднем оцениваемых в размере 50 руб./кВт·ч, составляют около 150 млрд. руб./год. Размер субсидирования может быть существенным образом сокращен за счет снижения стоимости производства электроэнергии при эффективном использовании потенциала местных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и систем автоматизированного управления.
Для Камчатки в условиях снижения добычи местного газа и удорожания мазута одним из перспективных направлений развития энергетического комплекса является расширенное использование геотермальных ресурсов, так как полуостров располагает уникальными запасами геотермальных вод различной температуры.
В связи с этим стратегической целями развития топливно-энергетического комплекса Камчатского края является обеспечение энергонезависимости региона, сокращение использования высокоуглеродного топлива (уголь, мазут) и достижение 50% доли ВИЭ в структуре генерации, прежде всего, за счет развития геотермальной электрогенерации. Для решения этой задачи и эффективного использования геотермальных ресурсов Камчатки необходимо всестороннее углубленное изучение гидрогеотермальных резервуаров и создание их корректных математических моделей, которые позволяют оптимально организовать бурение для добычи природного теплоносителя и распределение нагрузки эксплуатационных скважин.
Наиболее крупные и высокотемпературные гидротермальные системы Камчатки связаны с Восточной вулканической зоной протяжённостью около 350 км и шириной 15-20 км. В этой зоне расположены месторождения парогидротерм: Паужетское, Больше-Банное, Мутновское и Нижне-Кошелевское. Потенциальные ресурсы парогидротерм с температурой 150-250 °С на территории Камчатского края оцениваются в 900 МВт электрической мощности.
Всего в Камчатском крае известны около 150 термопроявлений, из которых 60 имеют температуру свыше 60 °С, что позволяет их рассматривать в качестве потенциальных источников энергетических ресурсов для локальной установки бинарных станций. Преимущества получения электрической и тепловой энергии на базе низкопотенциальных геотермальных источников очевидны: высокая сезонная и суточная стабильность работы, возможность дистанционного управления работой.
На Камчатке уже имелся опыт создания геотермальных энергетических установок на базе низкопотенциальных термальных вод Паратунского месторождения. В 1965 г. советские ученые С.С. Кутателадзе и А.М.Розенфельд стали авторами патента на получение электроэнергии из горячей воды с температурой более 80 °С. Уже в 1967 г. на Камчатке была построена и запущена в опытно-промышленную эксплуатацию первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом - Паратунская ГеоЭС электрической мощностью 600 кВт на фреоне R-12. При этом для глубокой утилизации остаточного теплового потенциала геотермального флюид для целей теплоснабжения был использован тепловой насос парокомпрессионного типа. В ходе ее испытаний была доказана техническая возможность получения электроэнергии при использовании столь низкотемпературного источника тепла в органическом цикле Ренкина на низкокипящем рабочем теле за счет тепла геотермальной воды с температурой более 70 °С
Однако в СССР сооружение таких станций не получило должного развития из-за низкой стоимости органического топлива в стране. В настоящее время в России энергоустановки на низкокипящих рабочих телах, способные использовать теплоту геотермального однофазного флюида геотермальных источников с температурой до 100°С отсутствуют. За рубежом данные технологии эволюционировали в направлении создания коммерческих энергетических установок мощностью от нескольких десятков кВт до десятков МВт на низкокипящих рабочих телах (фреоны, аммиак и др.).
Важно отметить, что природные подземные источники тепла с температурой до 100°С, пригодные для производства электроэнергии и теплоснабжения, также имеют широкое распространение на территории регионов Дальнего Востока, Восточной и Западной Сибири, Северного Кавказа. Еще большее количество геотермальных источников тепла с низким температурным потенциалом – менее 40-45°С имеется на значительной территории Российской Федерации. На их базе возможно создание экологически чистых систем теплоснабжения с использованием тепловых насосов парокомпрессионного и абсорбционного типов. Для глубокой утилизации теплоты геотермальных источников широко в мире, а в России лишь локально, в настоящее время используются тепловые насосы, способные энергоэффективно преобразовывать тепло низкого температурного потенциала (до 40-45°С) в товарное тепло (более 55-60°С) для нужд ГВС и отопления.
Выполнены оценки эффективности использования для этих целей абсорбционных тепловых насосов повышающего типа, представляющих очень перспективное направление развития этого типа машин. В них геотермальный или техногенный теплоисточник с температурой 40-45 °С теоретически способен обеспечить в зимний период нагрев теплоносителя системы теплоснабжения до 55-63 °С при удельных затратах электрической энергии на работу растворных, циркуляционных насосов, систем автоматизации и управления не более 1,0 % от их полезной теплопроизводительности, т.е. около 10 кВт электроэнергии при производстве 1,0 МВт тепловой для нужд теплоснабжения.
Для эффективного сочетания ВИЭ с традиционной дизельной генерацией под управлением единой системы автоматизированного управления в настоящее время создаются автоматизированные гибридные энергетические комплексы (АГЭК). Минимизация себестоимости производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла достигается при максимально возможном для данной местности коэффициента использования установленной мощности для ВИЭ в составе АГЭК. Мировая практика создания изолированных микрогридов показывает большое разнообразие в выборе источников энергетической гибкости и подтверждает возможность снижения стоимости электроэнергии на таких территориях на 20–40 % и более по сравнению с дизельной генерацией при использовании АГЭК.
В настоящее время потребность в разработке систем устойчивого энерго- и теплообеспечения удаленных и изолированных территорий, основанных на высокоэффективных бинарных ГеоЭС и теплонасосной технике отечественного производства для глубокой утилизации низко- и среднетемпературного тепла (до 100…120°С) геотермальных и пластовых вод нефтегазовых месторождений, приобретает особую актуальность.
Успешное решения этой задачи применительно к Камчатскому региону возможно на основе комплексного научного подхода с учетом следующих взаимосвязанных по своему влиянию на конечные результаты факторов:
1) Высокого уровня сейсмичности региона и наличия активной вулканической деятельности, влияющих на образование и эксплуатацию геотермальных месторождений.
Как правило, вблизи вулканов наблюдаются высокие подземные градиенты температур, позволяющие получать геотермальный флюид высокой температуры при относительно небольших глубинах бурения, что в значительной мере определяет затраты на разработку подземной части ГеоЭС. Наряду с определением основных параметров геотермального месторождения на основе ретроспективного многолетнего анализа имеющихся данных разработка предиктивных моделей развития вулканической и сейсмической активности в зонах расположения ГеоЭС позволяет определить жизненный цикл всего комплекса подземного и надземного оборудования, а также связанные с этими явлениями риски разработки месторождений.
2) Изменения водно-температурного режима подземного бассейна в процессе активной эксплуатации, обусловленные как внутренними процессами тепло- и массопереноса, гидравлики в земном массиве, временными изменениями химического состава, так и объемами извлекаемого флюида.
Закупорка продуктивных подземных каналов и скважин солевыми отложениями может привести к прекращению работы эксплуатируемой ГеоЭС еще до окончания назначенного срока эксплуатации оборудования, что потребует бурения новых скважин для возобновления ее устойчивой работы. Температура и подземные запасы флюида позволяют определить исходный эксергетический (максимально работоспособный) потенциал геотермального месторождения для многолетней выработки электроэнергии на ГеоЭС, работающих по пароводяным, бинарным и комбинированным циклам.
3) Низкого уровня полезной утилизации извлекаемого теплоэнергетического потенциала геотермального флюида (водяной пар, вода+пар, вода) для целей выработки электроэнергии.
Выработка электроэнергии на ГеоЭС с КПД ≥ 20%, работающих на чистом водяном паре по циклам Ренкина, сопровождается значительными тепловыми и ресурсными отходами в виде отсепарированной горячей воды и сбросного пара с высоким остаточным эксергетическим потенциалом вторичного использования. Многолетняя устойчивая работа таких ГеоЭС в режиме недоиспользования исходного эксергетического потенциала извлекаемого геотермального ресурса возможна только на базе высокопродуктивных высокотемпературных геотермальных месторождений, работа которых для восполнения подземных запасов и увеличения мощности станций нуждается в бурении дополнительных продуктивных скважин.
Проблема утилизации остаточного теплоэнергетического потенциала также актуальна для бинарных ГеоЭС, где выработка электроэнергии производится с КПД = 5…10% в зависимости от применяемой системы охлаждения конденсатора энергоустановки.
4) Высокой неравномерности суточного потребления электрической энергии в децентрализованных энергосистемах.
Электрическая мощность электроснабжающих систем на основе бинарных ГеоЭС в период жизненного цикла их использования определяется температурой и эксергетическим потенциалом ресурсов геотермальных месторождений, а также особенностями режимов коммерческого отпуска электроэнергии внешним потребителям. Основное преимущество работы бинарных ГеоЭС – работа в режиме 24/7, а недостаток – малая генерируемая мощность при низких КПД, не позволяющая обеспечить потребность в электроэнергии при пиковых нагрузках в энергосистеме. В пределах работы децентрализованных энергосистем системы накопления электроэнергии (СНЭ) могут способствовать решению этой проблемы для покрытия пиковых нагрузок. Однако их высокая стоимость затрудняет успешное решение этой задачи с высокими показателями технико-экономической эффективности.
5) Особенностей многопараметрического определения основных показателей технико-экономической эффективности на протяжении всего жизненного цикла применительно к энергетическим и тепловым системам на основе геотермальных источников различного типа и системам теплоснабжения, включающим подземную и надземные части с учетом особенностей их эксплуатации и режимов отпуска коммерческих продуктов генерации внешним потребителям.
Высокие капиталовложения в разработку подземной части и создание надземной части ГеоЭС снижают инвестиционную привлекательность такой технологии. Однако, с учетом всего периода жизненного цикла при малых операционных затратах показатели технико-экономичекая эффективности ГеоЭС улучшаются. Расчет таких известных показателей как LCOE (англ. - levelized cost of electricity), приведенной стоимости производства электроэнергии на электростанции, и LCOH (англ. – levelized cost of heat), приведенной стоимости тепловой энергии, за весь период жизненного цикла геотермальных систем при наличии сложной подземно-надземной структуры будет иметь существенные отличия от стандартизированных методик оценки экономичности систем, использующих органические виды топлива.
6) Новой структуры и связанной с этим методологией оптимального управления автоматизированными гибридными энергетическими комплексами (АГЭК) в децентрализованных энергосистемах на удаленных и изолированных территориях (УИТ).
В состав стандартного набора источников АГЭК: дизельные энергоустановки (ДЭУ), солнечны (СЭС) и ветряные (ВЭУ) энергоустановки, микро-ГЭС и СНЭ, должны быть включены работающие на базе геотермальных и в перспективе петротермальных источников ГеоЭС и тепловые насосы различных типов, в своей совокупности обеспечивающие приемлемые по экономичности показатели приведенной стоимости LCOE и LCOH.
Важно, что в составе АГЭК в отличие от СЭС И ВЭУ геотермальным системам может быть отведена роль базового энергоисточника, работающего в режиме генерации электроэнергии 24/7, что может обеспечить значительно более высокую экономию дизельного топлива и перевод ДЭУ в разряд временных энергоисточников с малыми показателями КУИМ (коэффициентами использования установленной мощности).
7) Соблюдения требований экологической безопасности и природоохранного законодательства на всем протяжении жизненного цикла (строительства, эксплуатации и ликвидации) геотермальных систем генерации.
К числу основных относятся:
- отсутствие факторов, наносящих вред жизни и здоровью населения и обслуживающему персоналу;
- ограничения и запреты на использование в энергетическом и теплотехническом оборудовании рабочих тел, оказывающих влияние на процессы глобального потепления климата и озоновый слой Земли;
- тепловые сбросы в поверхностные водоемы и реки свыше нормативных ограничений.
Таким образом, отмеченные выше особенности определяют необходимость разработки новых научно обоснованных подходов для создания геотермальных комплексов на Камчатке на основе комплексных исследований их взаимосвязанных подземной и надземной частей в условиях гарантированного обеспечения потребителей электроэнергией и теплом для теплоснабжения на всем периоде их жизненного цикла.
Проведение исследований и развитие наукоемких технологий будет способствовать реализации новых геотермальных проектов на Камчатке, что повысит эффективность электроснабжения потребителей региона, увеличит долю возобновляемых источников энергии в энергобалансе региона и позволит обеспечить сдерживание роста тарифов на электрическую и тепловую энергии в долгосрочной перспективе, а также будет направлено на обеспечение технологического суверенитета России в области геотермальной энергетики.
Целью научного исследования является разработка оптимизационных моделей расчета жизненного цикла ресурсосберегающих технологий повышения эффективности использования теплоэнергетического потенциала низко- и среднетемпературных геотермальных источников для целей энерго- и теплоснабжения на удаленных изолированных территориях.
Задачи:
Моделирование и экспериментальные исследования тепломассопереноса в подземных геотермальных резервуарах и системах добычи геотермального флюида.
1) Модель определения источников теплового и водного питания гидротермальных систем. Для диагностики потоков теплоносителя и продуктивных зон в геотермальных резервуарах будут использованы передовые методики геофлюидодинамики гидротермальных и вулканических систем, инверсионного и прогнозного моделирования эксплуатационных запасов геотермальных месторождений, планируемых для разработки на Камчатском полуострове. На основе результатов бурения, проводимых на одном из участков термальных вод Камчатского края будет произведена валидация расчетных моделей определения источников теплового и водного питания гидротермальных систем. Практическая значимость определяется возможностью предиктивного определения динамики развития подземных процессов тепло- и массообмена в процессе эксплуатации месторождения.
2) Методика оценки эксергетического потенциала геотермальных месторождений. На основе универсального эксергетического метода анализа технических систем будут выполнены оценки эксергетического потенциала существующих и перспективных месторождений подземных вод Камчатского края для выработки электроэнергии на бинарных ГеоЭС и в системах прямого и теплонасосного теплоснабжения. Практическая значимость определяется возможностью определения максимально теоретически возможного объема выработки электроэнергии на данном месторождении. Результаты исследований могут быть использованы для разработки и реализации региональных и муниципальных энергетических программ.
Разработка перспективных энерго -и ресурсосберегающих технологий практического использования теплоэнергетических вод Камчатского края с температурой до 100°С.
1) Новые схемные решения и научно обоснованные рекомендации по рациональному использованию теплового потенциала извлекаемого для теплоэнергетического использования геотермального флюида. Будут научно обоснованы новые схемные решения по совместному применению бинарных ГеоЭС и разрабатываемых тепловых насосов нового поколения с экологически чистыми рабочими телами для максимально глубокой утилизации тепла геотермального флюида, в том числе после использования в рабочих циклах ГеоЭС на водяном паре, обеспечивающие рациональную эксплуатацию подземных запасов термальных вод при соблюдении требований по охране окружающей природной среды. При поверхностном сбросе термальных вод на ландшафт и в реки их температура не будет превышать установленные законодательство температурные нормы.
2) Методики расчета рабочих циклов абсорбционных термотрансформаторов повышающего типа с новыми рабочими телами. Основой для исследования комплексной эффективности глубокой утилизации теплоэнергетического потенциала извлекаемых геотермальных вод станут рабочие процессы и схемные решения технологий и оборудования для рециклинга энергии, как одного из современных трендов развития мировой энергетики. За счет рециклинга можно обеспечить наращивание полезной мощности ГеоЭС и систем геотермального теплоснабжения без бурения дополнительных продуктовых скважин. Практическая значимость определяется возможностью при низких удельных затратах электроэнергии осуществить нагрев части (до 50%) исходного потока низкопотенциального тепла (40…45°С) до 60…65°С, представляющего коммерческую ценность в коммунальном теплоснабжении.
В результате проведенных исследований будут определены:
-сравнительная термодинамическая эффективность рабочих циклов АБТПТ с новыми импортозамещающими экологически чистыми рабочими телами на основе водных растворов соли LiCl для широкого диапазона температур геотермального флюида;
- разработаны рекомендации и схемные решения по включению АБТПТ в состав действующих и проектируемых ГеоЭС Камчатского края, а также систем геотермального теплоснабжения.
Оптимизация систем электро- и теплоснабжения удаленных и изолированных территорий на основе автоматизированных гибридных энергетических комплексов с бинарными геотермальными электростанциями и тепловыми насосами.
1) Модель управления АГЭК на основе источников на органических и возобновляемых источниках энергии. Будут рассчитаны оптимальные конфигурации АГЭК и управления энергетической гибкостью в изолированных микрогридах, опирающееся на методологию оценки жизненного цикла (ОЖЦ) технологий с учетом особенностей Камчатского края:
- уникальные по мировым меркам запасы геотермального флюида различной температуры, на основе которых можно обеспечить производство электрической и тепловой энергии в режиме 24/7 (24 часа в неделю), что является недостижимым для СЭС и ВЭС;
- широкое распространение геотермальных источников с температурой флюида до 100°С, для производства электроэнергии на базе которых в мире используют бинарные ГеоЭС;
- необходимость и большие возможности в целях максимально полного использования всего теплового потенциала геотермального флюида наряду с бинарными ГеоЭС использовать тепловые насосы различного типа.
2) Методика определения технико-экономической эффективности АГЭК на основе инвестиционной модели непрерывных финансовых потоков. Неотъемлемой частью оптимизации АГЭК на базе бинарных ГеоЭС и тепловых насосов абсорбционного и парокомпрессионного типов является определение эффективности инвестиционных вложений на основе многопараметрического подхода. Практическая значимость определяется возможностью оценки влияния технических и финансово-экономических факторов на окупаемость проекта в произвольно выбранные локальные и интегральные периоды его формирования, реализации и завершения.
|
