книги / Общая энергетика

часть (73 %) идет на обогрев помещений, купален, рыбоводства и теплиц. Значительно возросла доля геотермального теплообеспечения сельского хозяйства. Мировое энергопроизводство для этой цели составляет 310 тыс. т условного топлива (7 % от мирового энергопользования в этой области).

Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от очень дешевых до роскошных индивидуальных или многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т.п. Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения. При этом температура земли должна составлять

5–14 °С.

Эти технологии использования низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50–80 тыс. новых систем. Успешно внедряется эта технология в Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии, США. К концу 2000 года в мире действовало около 500 тыс. таких систем со средней мощностью 10 кВт и общей мощностью не менее

2,2 ГВт.

Капитальные затраты на строительство такой установки могут оказаться на 50–100 % выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. Однако эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии на 60 % ниже, чем от традиционных источников обогрева на электричестве. Срок окупаемости снижается в условиях резко континен-

231

тального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом – для охлаждения зданий. В США считается приемлемым достижение окупаемости в течение 4–8 лет.

По прогнозам Мировой энергетической комиссии к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов (ГТН) в теплоснабжении составит 75 %. ГТН позволяют получить на 1 кВт затраченной мощности 3–7 кВт тепловой мощности или 15–25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. В жилищно-коммунальном секторе с помощью ГТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. В качестве источника низкопотенциального тепла для ГТН чаще всего выступают водопроводная вода, грунт, морская и речная вода, канализационные стоки и т.п. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты водооборотных систем, стоков с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения.

В формировании энергетики России сектор теплоснабжения занимает важнейшее место, который является самым большим по объему потребляемых энергоресурсов (более 45 % их общего потребления), причем электростанциями отпускаются более 34 % всего тепла, котельными – примерно 50 %. В соответствии с энергетической стратегией России до 2020 года планируется рост теплопотребления в стране не менее чем 1,3 раза. Повышение цен, которое произошло в последние годы, на органическое топливо (газ, мазут, дизельное топливо) и на его транспортировку в отдельные районы России привело к объективному росту отпускных цен на электрическую и тепловую энергию.

Это принципиально изменяет отношение к использованию возобновляемых источников энергии и, в частности, геотермальной. Так, развитие геотермальной энергетики в от-

232

дельных регионах страны позволяет уже сегодня решать проблему электро- и теплоснабжения, в частности, на Камчатке, Курильских островах, а также на Северном Кавказе и в отдельных районах Сибири и европейской части России. Одним из основных направлений совершенствования и развития систем теплоснабжения должно стать расширение использования местных и нетрадиционных возобновляемых источников энергии и, в первую очередь, геотермального тепла.

Уже в ближайшие 7–10 лет с помощью современных технологий локального теплоснабжения, включая технологии приповерхностных геотермальных систем, можно сэкономить значительные ресурсы органического топлива. И на это есть все основания.

Россия располагает значительными запасами тепла земли, которые могут быть приумножены за счет геотермальных источников, находящихся на глубине от 300 до 2500 м в основном в зонах разломов земной коры. Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Более того, практически везде имеются запасы тепла с температурой от 30 до 220 °С. Однако необходимо заметить, что применение геотермальной энергии не может однозначно рассматриваться как экологически чистое потому, что, например, пар, выходящий из недр земли, часто сопровождается газообразными выбросами, включающими в себя сероводород и радон, которые считаются опасными.

Рассмотрим конкретные области применения геотермального тепла в России.

В 1965–1967 годах на Камчатке были построены две ГеоЭС: Паужетская, которая до сих пор работает и производит самую дешевую электроэнергию, и Паратунская – первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом, являющаяся прототипом около 400 ГеоЭС, построенных в других странах. Однако по-

233

сле этого ГеоЭС не строились, так как цены на органическое топливо и его доставку были низкими, и строительство ГеоЭС считалось нерентабельным, а экологические проблемы в то время не были так актуальны.

В связи с изменением цен на топливо и транспорт, а также переделом форм собственности, в России в 1990-е годы было создано несколько акционерных обществ: АО «Энергия», АО «Интергеотерм», АО «Наука» и др., которые при поддержке Миннауки России, Минэнерго России, РАО «ЕЭС России» и РАН организовали производство отечественного оборудования для ГеоЭС и геотермальных тепловых станций (ГеоТС). Сегодня в России ГеоЭС и ГеоТС работают и строятся на Камчатке и на Курильских островах.

Верхне-Мутновская ГеоЭС полностью создана российскими учеными, специалистами и производителями оборудования (АО «КТЗ», АО «ЗиО» и др.) в короткие сроки, так как при этом был использован богатый опыт отечественного энергомашиностроения, в том числе атомной и оборонной промышленности. Одновременно с созданием Верхне-Мут- новской ГеоЭС ОАО «Камчатскэнерго» построило высоковольтные линии от Мутновского геотермального поля до города Елизово (77 км), которые успешно эксплуатируются уже 3-й год, и мощную электроподстанцию в городе Елизово, способную принимать до 200 МВт.

Опыт эксплуатации Верхне-Мутновской ГеоЭС подтвердил правильность принятых научно-технических решений. Зимой 2001 года два энергоблока надежно работали и постоянно выдавали в электросеть мощность более 100 % номинальной, а сейчас успешно работают все три энергоблока. Опытно-промышленная Верхне-Мутновская ГеоЭС – это самостоятельное ОАО, которое предназначено, прежде всего, для отработки нового оборудования, внедрения технологий

234

вобласти геотермальной энергетики, исследования геотермального резервуара и производства электроэнергии.

Камчатка и ряд других регионов России располагают значительными запасами геотермальной воды с температурой более 85 °С, позволяющей получать электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Использование блочных ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до 10 МВт будет способствовать обеспечению удаленных поселков Камчатки, Чукотки и Сибири электричеством и теплом. Поэтому следующим этапом является создание четвертого энергоблока Верхне-Мутновской ГеоЭС и исследования комбинированной ГеоЭС с бинарным циклом. Сегодня потенциал Мутновского геотермального поля оценивается в 300 МВт.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1.На значительной территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 220 °С.

2.Геотермальная энергетика может и должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для реструктуризации энергетики Камчатской области, Курильских островов и частично Приморья, Сибири и Северного Кавказа следует использовать собственные геотермальные ресурсы.

3.В последние годы в России на основе крупных фундаментальных исследований были созданы геотермальные технологии и геотермальная промышленность, позволяющие

вкороткие сроки построить серию геотермальных электрических и тепловых станций блочного типа.

4.Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20–25 %.

235

5.4.Энергия Мирового океана

иее использование

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн км2) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн км2, Атлантического – 93 млн км2, Индийского – 75 млн км2. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 °С, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, поэтому такая энергетика до сих пор признается малоперспективной.

В числе основных установок, использующих энергию океана, рассматриваются:

1.Энергоустановки, использующие наличие температурного градиента между верхними и нижними слоями Мирового океана, – так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС).

2.Волновые электростанции (ВолЭС).

3.Приливные электростанции (ПЭС).

4.Электростанции морских течений (ЭСМТ).

5.4.1. Гидротермальные электростанции

Последнее десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана, т.е. создания гидротермальных электростанций (ГиТЭС).

Как известно, Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, причем нагретая вода не опускается вниз, поскольку плотность ее меньше холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается всего до 25–30 °С.

236

В то же время температура воды на глубине 1 км не превышает 5 °С.

Получающийся тепловой градиент создает запасы тепловой энергии, равные (3,4–10)24 Дж/год. Разность температур слоев морской воды в энергетических целях можно использовать в схеме двухконтурной электростанции. Теплая морская (океанская) вода из верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25–30 °С (фреона, пропана, аммиака). Пар этой жидкости срабатывается в турбогенераторе. Отработавший пар после выхода из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле.

Проведенные расчеты и опытные работы показывают, что себестоимость электроэнергии на океанических ГиТЭС примерно соответствует этому показателю на современных ТЭС и АЭС, однако широкому внедрению таких электростанций препятствует нерешенность некоторых технических проблем, среди которых – отсутствие достаточно эффективных и экономически приемлемых средств борьбы с интенсивной коррозией оборудования и трубопроводов. В экологическом отношении ГиТЭС безвредны, но если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникнет утечка, то это нанесет вред морской флоре и фауне.

В августе 1979 года вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана

вэлектрическую энергию). Пробная эксплуатация установки

втечение 3,5 месяца показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –

237

53 кВт. 12 кВт установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки, к которым относятся затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой воды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т.е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочей жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости его быстро отсоединить. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации станции, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа. Новые станции этой серии мощностью в десятки и сотни мегаватт проектируются без судна: это одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии.

238

По сравнению с традиционными тепловыми и атомными электростанциями ГиТЭС оцениваются специалистами как более экономически эффективные и практически не загрязняющие океанскую среду. Недавнее открытие гидротермальных источников на дне Тихого океана – прекрасная возможность создания подводных ГиТЭС, работающих на разности температур источников и окружающих вод. Наиболее привлекательными для размещения ГиТЭС являются тропические и арктические широты.

5.4.2.Волновые электростанции

Воснове работы волновых энергетических станций (ВолЭС) лежит воздействие волн на рабочие органы, выпол-

ненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую энергию.

Участвуя в глобальных солнечно-земных процессах, океаны, по оценкам различных источников, располагают громадной совокупной волновой энергией до 3·1014 кВт∙ч. При этом океанские волны способны развивать наибольшую для возобновляемых источников энергии удельную мощность. Так, сравнительно небольшая волна высотой 5 м в расчете на 1 м2 колеблющейся поверхности развивает мощность более 10 кВт.

Различают два основных типа волновых энергетических установок.

1. Поплавковые волновые электростанции. Такие элек-

тростанции включают в себя различные механические преобразователи, электрогенератор и накопитель энергии, размещенные внутри герметичной капсулы – поплавка. Капсулапоплавок имеет форму цилиндра. Механический преобразователь энергии волн состоит из колебательной системы и механического привода, раскручивающего электрогенератор.

239

Маломощные поплавковые волновые электростанции служат для энергообеспечения прибрежных и островных поселений, аварийных систем жизнеобеспечения, метеосистем радиомаяков, глобальных и региональных систем навигации и связи и др.

Мощные поплавковые волновые электростанции, представляющие собой плавучие заводы, обеспечивают переработку морепродуктов, химическое производство, электролизное производство, переработку флоры и фауны морей в продукты питания и в сырье для технических нужд и т.п.

Мощность маломощных поплавковых волновых электростанций составляет десятки киловатт, мощных модульных (проекты) – десятки мегаватт.

В настоящее время волноэнергетические установки такого типа используются преимущественно для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. Известен также проект под названием «Утка Солтера» (Великобритания). Он представляет собой поплавковый преобразователь волновой энергии, рабочей конструкцией которого является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. Мощность электростанций с таким преобразователем достигает 1 МВт. Разработан проект более мощной установки типа «Утка Солтера» из 20–30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 МВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока

240