Геотермальная энергия. Подземные термальные воды (гидротермы)

Подземные термальные воды (гидротермы)
Вода – подвижный и теплоемкий энергоноситель в земной коре, насыщающий породы осадочных и гранитных оболочек. Она играет важную роль в тепловом балансе.
По всему земному шару, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей, залегают пласты, содержащие термальные воды – гидротермы, и создающие гидротермальную оболочку. В районах вулканизма она местами выходит на поверхность – горячие источники, гейзеры, парогазовые струи.
Температура подземных вод колеблется в широких пределах. В зависимости от температуры на устье скважины геотермальные воды классифицируются на: а)слаботермальные (37°
100°).
Кроме того, геотермальные воды классифицируются по химическому и газовому составу: по минерализации (пресные, соленые), по жесткости, по кислотности (кислые, нейтральные, щелочные), по газовому составу (сероводородные, углекислые, метановые, азотные и т.д.), по газонасыщенности.
Встречаются экзотические виды: сверхкрепкие рассолы (минерализация > 600г/л), с растворенными агрессивными газами (атомарный водород) и т.д.
Могут быть использованы все виды вод: перегретые – электроэнергетика, пресные термальные – теплообеспечение, солоноватые – медицина, рассолы – промышленное сырье.

Происхождение термальных вод
Образуются чаще – за счет постепенного отбора тепла у пород:
Инфильтрационные – проникающие через поры с поверхности Земли в глубину. Водостоки постепенно нагреваются, в равнинных районах становятся термальными на глубине ~1 км. При быстром подъеме наверх по крупным дефектам коры не успевают остыть – горячие ключи. Можно получать искусственно бурением скважин: с глубины до 4 км – вода до 100°.
Образуются реже – из тепловых очагов:
Ювенильные – конденсируется из паровых струй, вырвавшихся из расплава магмы.
Вулканические – инфильтрованная вода, перегретая расплавом магмы – гейзеры, грязевые грифоны и котлы, паровые струи и т.д.
Типы месторождений термальных вод
Конвекционное происхождение – в районах современной или недавней вулканической деятельности и в рифтовых зонах (тектоническая активность, повышенный температурный градиент – 45-70°/км). На поверхность выходят горячие воды и пароводяная смесь. Нынешние ГеоТЭС работают в таких районах.
Кондуктивный прогрев – воды сосредоточены в платформенных и предгорных впадинах – геотермический градиент нормальный (33°/км). Бурением обнаружены сотни бассейнов в несколько млн.км2. Перспектива: с глубин до 15 км – до 350°.

Распространение термальных вод
Максимально «теплые» земные недра в России – Курило-Камчатская вулканическая зона.
Температура пород и содержащихся в них вод зависит от глубины залегания и от близости к центрам геотермической активности (вулканы, разломы и т.д.)

Использование геотермальной энергии
Прямое использование геотермальной энергии
Геотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемых из природных коллекторов с глубины 0.5-3 км. Средняя обеспечиваемая мощность скважины ~ 4 МВт.
ГеоТЭС с непосредственным использованием природного пара: подается прямо в турбину и далее уходит на сброс. Стоимость минимальна, т.к. состоит только из турбины и генератора, может использоваться как передвижная. Пример: Италия, станция мощностью 16 МВт (4 генератора по 4 МВт), снабжается паром от 8 скважин.
ГеоТЭС с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара: конденсат отработанного пара направляется для охлаждения в градирню и далее используется для охлаждения нового отработанного пара. Пример: Лардерелло-3 (Италия): 4 генератора по 26 МВт; 2 - по 9 МВт (покрытие собственных нагрузок).
Схема ГеоТЭС с прямым использованием природного пара

ГеоТЭС с бинарным циклом
Такие станции выгодны там, где природный пар имеет высокую температуру и большое содержание газов. Природный пар в паропреобразователе отдает тепло чистому вторичному теплоносителю, идущему на турбину. Природный пар идет на дегазатор.
Строительство незначительно дороже ГеоТЭС с конденсационной турбиной и прямым использованием пара. Пример: Ландарелло-2 (Италия), 7 турбин по 11 МВт.
По похожему принципу строятся ГеоТЭС на отсепарированном паре, если в паре большое содержание воды. Примеры: Паужетское месторождение (Россия), Хверагерди (Исландия).
Преимущество схемы в том, что чистый пар облегчает работу турбин.
Схема ГеоТЭС с паропреобразователем

Состояние геотермальной энергетики в России
1. Верхне-Мутновская ГеоТЭС (Камчатка) – 3 скважины, 3 турбины по 4 МВт обслуживающей Петропавловск-Камчатский промышленный район . План: аммиачный модуль на 6 МВт, работающий на тепле сбросного пара (150°) => себестоимость энергии снизится на 20-30%.
2. Океанская ГеоТЭС (о. Итуруп) – остров обладает значительными запасами разведанных геотермальных вод. На 2009 г.- 2.5 МВт. План – 30 МВт, .
3. Паужетская ГеоТЭС (Камчатка) – используется отсепарированный пар, 14.5 МВт (2004 г.). Остаток (80% воды 120°) сбрасывается => потери теплового потенциала, ухудшение экологии. Реконструкция 2010 г.: сбросная вода – в двухконтурную установку на низкокипящем рабочем теле (изобутан), добавочная мощность – 2.5 МВт, выходная температура - 55°.
4. Мутновская ГеоТЭС (Камчатка) – комбинированного типа. Отработанный пар направляется в конденсатор, одновременно являющийся парогенератором для второго контура с турбинами на низкокипящем незамерзающем рабочем теле. Облегчается эксплуатация в суровых зимних условиях. 50 МВт на 2007 г.
Также планируются к постройке Нижне-Кошелевская ГеоТЭС (Камчатка) и Ставропольская ГеоТЭС (Предкавказье).

Экономическое обоснование для ГеоТЭС
Перспективный район использования ГеоТЭС в России – Камчатка и Курилы – отличаются суровым климатом, что с одной стороны увеличивает затраты на строительство и эксплуатацию ТЭС, с другой – доставка дизельного топлива для ДЭС также дорога.
Минусы: нетранспортабельность, рассредоточенность источников, территориальная ограниченность зон применимости.
Плюсы:
Расчетная стоимость энергии на оптимизированной ГеоТЭС – в 2.5 раза ниже, чем на ДЭС
Значительное улучшение экологической обстановки