Мутновская геоэс

Геотермальные электростанции — принципы работы

В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и 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 распространенными. Они используют горячие подземные воды (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 геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Примечания

1. ↑ Кирилл Дегтярёв.  (недоступная ссылка). Русское географическое общество (24 октября 2011). Дата обращения 1 ноября 2012.
2. , с. 18, 98.
3. , с. 16—17.
4. ↑
5. ↑
6. . Хабрахабр (30 апреля 2018). Дата обращения 3 сентября 2019.
7. Holm, Alison (May 2010), , Geothermal Energy Association, с. 7. Проверено 24 мая 2010.
8. Л. А. Огуречников. . №11 (31). Альтернативная энергетика и экология (2005). Дата обращения 1 ноября 2012.
9. . журнал «Энергосвет». Дата обращения 1 ноября 2012.
10. В. А. Бутузов, Г. В. Томаров, В. Х. Шетов. . журнал «Энергосбережение» (3 ноября 2008). Дата обращения 1 ноября 2012.
11. ВСН 56-87 «Геотермальное теплохладоснабжение жилых и общественных зданий и сооружений»

История

В 1817 году граф Франсуа де Лардерель разработал технологию сбора пара из естественных геотермальных источников.
В 20-м веке спрос на электроэнергию привёл к появлению проектов создания электростанций, использующих внутреннее тепло Земли.
Человеком, который провёл испытания первого геотермального генератора был Пьеро Джинори Конти. Это произошло 4 июля 1904 года в итальянском городе Лардерелло. Генератор смог успешно зажечь четыре электрических лампочки. Позже, в 1911 году, была построена первая в мире геотермальная электростанция в том же населённом пункте, она работает до сих пор. В 1920-х годах экспериментальные генераторы были построены в Беппу, Япония и калифорнийских гейзерах, но Италия была единственным в мире промышленным производителем геотермальной электроэнергии до 1958 года.

Пять стран-лидеров по производству геотермальной энергии, 1980–2012 (US EIA)

Рост мощности ГеоЭС по годам

В 1958 году, когда была введена в эксплуатацию электростанция Вайракей, Новая Зеландия стала вторым крупным промышленным производителем геотермальной электроэнергии. Вайракей была первой станцией непрямого типа. В 1960 году Pacific Gas and Electric начала эксплуатацию первой успешной геотермальной электростанции в США на гейзерах в Калифорнии. Турбина просуществовала более 30 лет и произвела 11 МВт чистой мощности.
Первая геотермальная электростанция бинарного типа была впервые продемонстрирована в 1967 году в Советском Союзе, а затем представлена в США в 1981 году, после энергетического кризиса 1970-х годов и значительных изменений в политике регулирования. Эта технология позволяет использовать гораздо более низкую температуру для производства электроэнергии, чем ранее. В 2006 году в Чина-Хот-Спрингс, штат Аляска, заработала станция бинарного цикла, производящая электричество с рекордно низкой температурой жидкости 57 °C.
До недавнего времени геотермальные электростанции строились исключительно там, где вблизи поверхности имелись высокотемпературные геотермальные источники. Появление электростанций с бинарным циклом и совершенствование технологии бурения и добычи могут способствовать появлению геотермальных электростанций в значительно большем географическом диапазоне. Демонстрационные электростанции находятся в германском городе Ландау-ин-дер-Пфальц и французском городе Сульц-су-Форе, в то время как ранее усилия в Базеле, Швейцария, были закрыты после того, как это вызвало землетрясения. Другие демонстрационные проекты находятся в стадии разработки в Австралии, Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах Америки.

Тепловой КПД геотермальных электростанций невысок, около 7-10%, поскольку геотермальные флюиды находятся при более низкой температуре по сравнению с паром из котлов. По законам термодинамики, эта низкая температура ограничивает эффективность тепловых двигателей в извлечении полезной энергии при выработке электроэнергии. Отработанное тепло тратится впустую, если только его нельзя использовать непосредственно, например, в теплицах, лесопилках(?) и централизованном отоплении. Эффективность системы не влияет на эксплуатационные расходы, как это было бы для угольной или другой станции ископаемого топлива, но это фактор жизнеспособности станции. Для производства большего количества энергии, чем потребляют насосы, для выработки электроэнергии требуются высокотемпературные геотермальные источники и специализированные тепловые циклы. Поскольку геотермальная энергия постоянна во времени, в отличие, например, от энергии ветра или Солнца, ее коэффициент мощности может быть довольно большим – до 96%.

Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы

Чем глубже скважина, тем выше температура, но в некоторых местах геотермальная температура поднимается быстрее. Такие места обычно находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические плиты. Именно поэтому наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности. Чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может быть настолько высок, что поверхностные воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры и горячие источники.

Ниже земной коры находится слой горячего и расплавленного камня называемый магмой. Тепло возникает там, прежде всего, за счет распада природных радиоактивных элементов, таких как уран и калий. Энергетический потенциал тепла на глубине 10 000 метров в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа.

Зоны наивысших подземных температур находятся в регионах с активными и молодыми вулканами. Такие «горячие точки» находятся на границах тектонических плит или в местах, где кора настолько тонка, что пропускает тепло магмы. Множество горячих точек находится в зоне Тихоокеанского кольца, которое еще называют «огненное кольцо» из-за большого количества вулканов.

История строительства и эксплуатации

Проектирование

Вид на Мутновскую ГеоЭС, скважинные приёмники и окружающие горы

Первая геотермальная электростанция в СССР (Паужетская ГеоЭС) была построена на Камчатке в 1966 году. По результатам её успешной эксплуатации было решено продолжить развитие геотермальной энергетики в регионе. В 1974 году Институт вулканологии АН СССР оценил потенциальную мощность геотермальной станции на базе Мутновского месторождения в 300—400 МВт. В сентябре 1977 года Госплан СССР принял решение построить Мутновскую ГеоЭС мощностью 200 МВт с вводом первых агрегатов в 1984—1985 гг.

Постановление ЦК КПСС и Совмина СССР от 2 апреля 1981 года поручало Министерству геологии СССР утвердить запасы парогидротерм Мутновского месторождения, а Министерству энергетики и электрификации СССР — строительство геотермальной электростанции мощностью 150—250 МВт с вводом в действие в 1985 году первой очереди мощностью 50 МВт. В 1983 году сроки строительства первой очереди были сдвинуты на 1986—1990 годы. Запасы месторождения были представлены в Государственный комитет по запасам только в 1987 году, а утверждены — в 1990 году: по категории C1 — 156,2 кг/с, с абсолютным давлением 6-8 атмосфер и калорийностью 660 ккал/кг, соответствующие 78 МВт электрической мощности.

Строительство

Дирекция строительства была создана в мае 1988 года, плановый срок ввода в очередной раз был сдвинут на 1992 год. Возникли сложности при размещении заказов на основное генерирующее оборудование, так как машиностроительные предприятия отдавали приоритет серийному оборудованию и не желали разрабатывать специализированные изделия. Начались годы перестройки, отсутствие финансирования в кризисные 90-е годы дополнительно усугубило ход строительства.

В 1995 году Минэнерго РСФСР утвердило скорректированный проект Мутновской ГеоЭС: в качестве основного оборудования были выбраны блочно-модульные энергоблоки Калужского турбинного завода. Продолжение строительства ГеоТЭС было признано приоритетным проектом развития топливно-энергетического комплекса Камчатского края.
С целью завершения строительства и последующей эксплуатации Мутновских ГеоЭС была создана компания «Геотерм», для финансирования проекта в 1998 году был привлечён кредит ЕБРР.

С целью снижения затрат на транспортировку пароводяной смеси было принято решение пар с нескольких удалённых от площадки строительства скважин направить в отдельно стоящую небольшую электростанцию — Верхне-Мутновскую ГеоЭС мощностью 12 МВт, которая была построена раньше основного объекта и уже в декабре 1999 года была введена в эксплуатацию. Пуск первого турбоагрегата Мутновской ГеоЭС состоялся в декабре 2001 года, торжественный пуск второго турбоагрегата — в октябре 2002 года, в церемонии принял участие председатель правления РАО ЕЭС Анатолий Чубайс. Использование геотермальной энергии позволило значительно ослабить зависимость полуострова от дорогостоящего привозного мазута.

Эксплуатация

Мутновская ГеоЭС функционирует в составе центрального энергоузла Камчатской энергосистемы, работающей изолированно от ЕЭС России. Энергоузел сформирован в южной части Камчатского края, где проживает основная часть населения. Синхронно с Мутновской ГеоЭС работает Верхне-Мутновская геотермальная электростанция, Камчатские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, гидроэлектростанции каскада Толмачёвских ГЭС. Выработка Мутновской ГеоЭС составляет около 350 млн кВт.ч в год и покрывает 20 % потребления электроэнергии в Центральном энергоузле Камчатского края, коэффициент использования установленной мощности — 78,5 %. В декабре 2019 года в связи с ликвидацией АО «Геотерм» Мутновская ГеоЭС вошла в состав ПАО «Камчатскэнерго».

Существует возможность увеличения мощности Мутновской ГеоЭС, как за счет строительства новых очередей станции (потенциал месторождения позволяет разместить электростанции общей мощностью около 300 МВт), так и повышения эффективности работы действующей станции путем монтажа бинарного энергоблока мощностью 13 МВт, использующего тепло сбросного сепарата. Также рассматривается возможность строительства второй цепи линии электропередачи (что повысит надежность выдачи электроэнергии, которая сейчас производится по одной ЛЭП, проходящей в лавиноопасном районе), и использование сбросного сепарата для теплоснабжения Петропавловска-Камчатского путём сооружения трубопровода.

Геотермальная электростанция преимущества и недостатки

Издавна Земля является источником энергоресурсов, но, признавая этот факт, надо признать и то, что невозобновляемые источники энергии не бесконечны. Ради обогрева жилья люди уже отказались от дров и больше не сжигают леса, почти исключили добычу каменного угля, признавая, что это наносит экологический вред среде обитания. Но добыча нефти и газа идёт полным ходом. Между тем у нашей планеты в запасе есть и возобновляемый источник энергии — сила её геотермальных вод.

Тепло из самых глубин планеты

Использовать тепло Земли — очень заманчивая идея и непростая, но в целом решаемая, задача. Особенно актуально это для регионов, где геотермальные источники выходят на поверхность или, хотя бы находятся в зоне досягаемости, как с инженерной, так и экономической точек зрения. Вот только местоположение подобных источников, как правило, соседствует с тектоническими разломами планеты и находится в крайне сейсмо неустойчивых регионах.

Перегретый пар и/или вода, способный вращать турбины, с тем, чтобы выработать электроэнергию, — это «побочный продукт» деятельности вулканов и гейзеров. В то же время на планете множество людей живут в опасном соседстве с подобными грозными силами природы. А потому использование этих сил на благо людей, в основном, вопрос времени: с развитием технологии этот вид энергии станет доступнее, возрастёт и мощность геотермальных станций.

Геотермальные электростанции: преимущества и недостатки

Существует несколько принципиальных схем строительства таких электростанций и, обычно, выбор зависит от конкретного источника тепла: где-то достаточно пробурить скважину и можно начинать её эксплуатацию, а где-то предварительно необходимо очистить поступающий энергоноситель от твёрдых частиц и вредных газов.

Но, каков бы ни был принцип работы такой станции, у неё имеется ряд преимуществ перед ТЭС и даже перед тепловой АЭС.

Вот недостаток у геотермальной станции всего один: в конечном счёте он сводятся её местоположению. Учитывая, что сейсмическая активность не поддаётся прогнозам, районы тектонических разломов крайне неблагоприятное место для строительства и последующей эксплуатации энергоустановок.

Зато преимущества геотермальных электростанций многочисленны и неоспоримы:

• безопасность для окружающей среды, в том числе отсутствие возникновения парниковых газов;
• компактность размеров станции;
• основные расходы заканчиваются с завершением строительства, расходы же на эксплуатацию — минимальны;
• за счёт природного теплоносителя (практически неисчерпаемый ресурс!) себестоимость электрической энергии снижается почти до нуля.

Подробнее об экологии

С развитием общества, вырастает и его экологическая сознательность, проблемы разумного природопользования выходят на первый план. Ведущие экономические державы, в том числе и Россия, подписывают протоколы об ограничении выбросов в атмосферу, стремясь сократить вред от парникового эффекта и предотвратить глобальное потепление. ТЭС, использующие для выработки электроэнергии в качестве топлива газ, продукты нефтепереработки и, особенно, каменный уголь оказывают существенное влияние на рост загрязнённости атмосферы.

С тем, что имеется экологический недостаток ТЭС, ничего поделать нельзя. Можно попытаться сократить выбросы за счёт более полного сжигания топлива, за счёт применения передовых фильтрующих систем, но от «родового» недостатка тепловой энергетики не уйти.

Поэтому основной вопрос, который встаёт в связи с использованием термальной энергией, какие экологические преимущества имеет геотермальная электростанция? Используя воду и пар, нагретые самой природой, такие электростанции не производят выбросов. Минимизирует вред, наносимый окружающей среде и небольшие габариты подобных станций. Так что, преимущества геотермальных электростанций перед ТЭС не подлежат сомнению.

Термальная энергия в наше время

Столица — Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников.

Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч кило- ватт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч кило-ватт.

История строительства и эксплуатации

Первые изыскательские работы по возможности строительства на юге Камчатки геотермальной электростанции датируются 1950-ми годами. 15 марта 1954 года Президиум АН СССР поручил Лаборатории вулканологии направить на Южную Камчатку геотермальную экспедицию. В 1955 году по итогам работы экспедиции было выбрано место бурения скважины на Паужетских термальных источниках. Первая скважина была пробурена в 1957 году, геологоразведочные работы закончились в 1962 году, что позволило перейти к проектированию и строительству Паужетской ГеоЭС. Пуск новой станции состоялся в 1966 году при мощности 5 МВт (два турбогенератора по 2,5 МВт). К 1980 году мощность станции была увеличена до 11 МВт путем монтажа еще одного турбоагрегата. В 2006 году турбоагрегат № 1 заменен на новый мощностью 6 МВт, общая мощность станции увеличилась до 14,5 МВт. В 2009 году был выведен из эксплуатации изношенный турбоагрегат № 2 мощностью 2,5 МВт, мощность станции составила 12 МВт.

В 2010 году было начато строительство бинарного блока мощностью 2,5 МВт. В июле 2011 года были завершены основные работы по установке оборудования блока, по прокладке дополнительных труб от скважин Паужетского месторождения и прокладка водоводов для охлаждения (общая длина ≈3600 м). В промышленную эксплуатацию блок введён не был.

Паужетская ГеоЭС обеспечивает энергоснабжение изолированного Озерновского энергорайона и работает параллельно с Озерновской ДЭС мощностью 3,57 МВт, которая включается в работу летом при резком росте энергопотребления в период рыболовной путины, а также при ремонтах и аварийных ситуациях на ГеоЭС и линии электропередачи. Паужетская ГеоЭС обеспечивает электроэнергией население и предприятия в п. Озерновский, п. Паужетка, п. Шумный и селе Запорожье Усть-Большерецкого района Камчатского края. Располагаемая мощность станции ограничена количеством поставляемого пара и составляет 5,8-6,0 МВт, ежегодная выработка электроэнергии составляет около 42 млн кВт.ч.

1 января 2006 года электростанция была выделена из состава ОАО «Камчатскэнерго» и начала операционную деятельность как самостоятельное юридическое лицо — ОАО «Паужетская ГеоЭС». С 28 декабря 2009 года ОАО «Паужетская ГеоЭС» было приобретено ОАО «Геотерм», дочерним обществом ОАО «РусГидро». В 2018 году АО «Паужетская ГеоЭС» было ликвидировано, станция передана в эксплуатацию АО «Геотерм». В декабре 2019 года АО «Геотерм» было присоединено к ПАО «Камчатскэнерго».

Достоинства и недостатки

Достоинства

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Коэффициент использования установленной мощности ГеоТЭС может достигать 80%, что недостижимо для любой другой альтернативной энергетики.

Экономическая обоснованность скважин

Для того, чтобы преобразовать тепловую энергию в электрическую с помощью какой-нибудь тепловой машины (например, паровой турбины), необходимо, чтобы температура геотермальных вод была достаточно велика, иначе КПД тепловой машины будет слишком низким (например, при температуре воды 40°C и температуре окружающей среды 20°C КПД идеальной тепловой машины составит всего 6%, а КПД реальных машин ещё ниже, кроме того, часть энергии будет потрачена на собственные нужды станции — например, на работу насосов, которые выкачивают теплоноситель из скважины и закачивают отработанный теплоноситель обратно). 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. Однако, температура Земли растет 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. Бурение таких глубоких скважин обходится дорого, кроме того, на перекачку теплоносителя по ним тоже требуется затратить энергию, поэтому использование геотермальной энергии далеко не везде целесообразно. Практически все крупные ГеоЭС расположены в местах повышенного вулканизма — Камчатка, Исландия, Филиппины, Кения, в Калифорнии и т.д, где геотермический градиент гораздо выше, а геотермальные воды находятся близко к поверхности.

Экология теплоносителя

Одна из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт, на что требуется расход энергии. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, свинца, цинка, кадмия) , неметаллов (например, бора, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Закачка отработанной воды необходима еще и для того, чтобы давление в водоносном пласте не упало, что приведет к уменьшению выработки геотермальной станции или её полной неработоспособности.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.

Провоцирование землетрясений

Пхоханское землетрясение 2017 года

Экономическая обоснованность бурения и инфраструктуры скважин заставляет выбирать места с большим геотермическим градиентом. Такие места обычно находятся в сейсмически активных зонах. Кроме того, при постройке ГЦС-станции проводится гидравлическое стимулирование пород, позволяющее за счёт дополнительных трещин увеличить теплообмен теплоносителя с породами. Однако, по результатам исследования пхоханского землетрясения 2017 года (кор., англ.), оказалось, что даже регулирования с помощью измерений с дополнительных сейсмографических станций не достаточно для исключения индуцированных землетрясений. Спровоцированное эксплуатацией геотермальной станции, пхоханское землетрясение произошло 15 ноября 2017 года, магнитуда составила 5,4 единицы, пострадали 135 человек и 1700 остались без крова.

Преимущества и недостатки геотермальных электростанций

Преимущества геотермальных электростанций

• Запасы геотермальной энергии велики, хотя и не бесконечны. Ее можно считать возобновляемым источником энергии — во всяком случае, при условии, что в нагнетательную скважину не закачивается слишком много воды за слишком короткое время.
• Геотермальная электростанция для работы не требует поставок топлива из внешних источников.
• Работа геотермальных электростанций не сопровождается вредными или токсичными выбросами (см., однако, третий недостаток геотермальных электростанций ниже).
• Помимо необходимого для первого старта насоса (или насосов) внешнего источника энергии, геотермальным электростанциям для дальнейшей работы внешняя энергия (топливо) не нужна. С началом работы геотермальной электростанции ее насосы можно запитывать электричеством, которое вырабатывается на самой станции.
• Эксплуатация геотермальной электростанции не требует дополнительных расходов, кроме расходов на профилактическое техобслуживание или ремонт.
• Геотермальные электростанции не портят пейзаж и не требуют значительного землеотвода.
• Обычная геотермальная электростанция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды, которую затем можно использовать для питья или ирригации. Опреснение происходит естественным путем в результате дистилляции — разогрева воды и охлаждения водяного пара в процессе работы электростанции.

Недостатки геотермальных электростанций

• Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на ее возведение может быть проблематичным.
• Иногда действующая геотермальная электростанция может остановиться в результате естественных изменений в земной коре. Кроме того, причиной ее остановки может стать плохой выбор места или чрезмерная закачка воды в породу через нагнетательную скважину.
• Через эксплуатационную скважину могут выделяться горючие или токсичные газы или минералы, содержащиеся в породах земной коры. Избавиться от них достаточно сложно. Правда, в некоторых случаях их можно сифонировать (собрать) и переработать в горючее (нефть-сырец или природный газ, например).

Можно ли построить небольшую геотермальную электростанцию, способную обеспечить электричеством дом или небольшой поселок?

Это можно осуществить в районах, где не нужно бурить глубокие дорогие скважины. Наиболее показательным примером является, пожалуй, Исландия, которая, по сути, находится на вершине гигантского вулкана. На территории США среди таких районов можно назвать территории вокруг Йеллоустоуна, Термополиса и Саратоги в штате Вайоминг и вокруг города Хот Спрингс в Южной Дакоте (В России наиболее известным регионом с высоким потенциалом для геотермальной энергетики считается Камчатка.).

Геотермальные электростанции — источники геотермальной энергии.

Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды.

Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

Горячие, находящиеся под давлением, подземные воды, содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.