Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19, № 1. С. 117-124. ISSN 1999-5458 (print) Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023. Vol. 19. No. 1. P. 117-124. ISSN 1999-5458 (print)
Обзорная статья
УДК 504.062, 620.92, 620.93
doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-1-117-124
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Богдан Алексеевич Соловьев Bogdan A. Solovev
магистрант, инженер кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий»,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Андрей Сергеевич Бодылев Andrey S. Bodylev
аспирант, ассистент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий»,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Александр Дмитриевич Павлов Alexander D. Pavlov
учащийся,
МБОУ «Инженерный лицей № 83 имени ПинскогоМ.С. УГНТУ», Уфа, Россия
Ильгиза Далховна Каекбирдина Ilgiza D. Kaekbirdina
магистрант, инженер-исследователь кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Актуальность
Вопрос производства электроэнергии всегда занимает наиболее актуальную позицию в вопросе мироздания и формирования жизненного цикла человечества. На сегодняшний день известен целый ряд альтернативных источников энергии, являющихся экологически чистыми и находящихся в тренде развития современного общества. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили источники энергии, работающие от энергии Солнца и ветра. Геотермальная же энергетика на сегодня не успела войти так плотно в мир электроэнергетики, но при этом имеет высокий потенциал, а также большой
Ключевые слова
геотермальные источники энергии, геотермальная энергетика, геотермальная электростанция, теплоноситель
© Соловьев Б. А., Бодылев А. С., Павлов А. Д., Каекбирдина И. Д., 2023
показатель запаса энергии, хранящегося в недрах Земли. Именно данный источник энергии предлагается изучить в статье, а также рассмотреть перспективы развития в самое ближайшее время.
Цель исследования
Проанализировать состояние геотермальной энергетики в Российской Федерации, изучить крупнейшие электростанции, работа которых основана на получении электроэнергии из геотермальных источников, оценить перспективы будущего развития изучаемой области.
Методы исследования
В рамках исследования был проведен анализ существующих моделей работы геотермальных электростанций, а также сформирован аналитический обзор перспективных регионов.
Результаты
По итогам исследования были проанализированы существующие типы электростанций, принцип работы которых основан на получении электроэнергии из геотермальных источников, а также проведен анализ наиболее перспективных регионов для наращивания мощности электростанций.
Для цитирования: Соловьев Б. А., Бодылев А. С., Павлов А. Д., Каекбирдина И. Д. Анализ перспектив развития геотермальной энергетики // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. № 1. Т. 19. С. 117-124. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-1-117-124.
Original article
ANALYSIS OF GEOTHERMAL POWER ENGINEERING AND DEVELOPMENT PROSPECTS
The relevance
The issue of electricity generation always occupies the most relevant position in the issue of the universe and the formation of the life cycle of mankind. To date, a number of alternative energy sources are known that are environmentally friendly and are in the trend of the development of modern society. The most widely used energy sources today are those powered by solar and wind energy. Geothermal engineering, on the other hand, has not yet entered the world of electric power industry so tightly, but at the same time it has a high potential, as well as a large indicator of the energy reserve stored in the bowels of the Earth. It is this source of energy that is proposed to be studied in the article, as well as to consider development prospects in the very near future.
Aim of research
To analyze the state of geothermal engineering in the Russian Federation, to study the largest power plants, the operation of which is based on obtaining electricity from geothermal sources, to assess the prospects for the future development of the study area.
Research methods
As part of the study, an analysis was made of existing models of operation of geothermal power plants, and an analytical review of promising regions was formed.
Results
Based on the results of the study, the existing types of power plants were analyzed, the principle of operation of which is based on obtaining electricity from geothermal sources, and an analysis was made of the most promising regions for increasing the capacity of power plants.
118-
Ключевые слова
geothermal energy sources, geothermal engineering, geothermal power plant, coolant
For citation: Solovev B. A., Bodylev A. S., Pavlov A. D., Kaekbirdina I. D. Analiz perspektiv razvitiya geotermal'noi energetiki [Analysis of Geothermal Power Engineering and Development Prospects]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2023, No. 1,Vol. 19, pp. 117-124 [in Russian]. http://dx.doi. org/10.17122/1999-5458-2023-19-1-117-124.
Введение
Геотермальной энергией является энергия, генерируемая из природного тепла Земли, добраться до этого тепла позволяют скважины, температура в которых растет каждые 36 м глубины на 1 °С. На поверхность данная теплота доставляется в виде горячей воды и пара.
На Земле запасы тепла велики. Так, если рассматривать остывания одного лишь ядра, не включая мантию и кору, то при снижении температуры на 1 °С мы получаем порядка 2 1020 кВт-ч энергии, температура же ядра доходит до показателя в 6000 °С, а остывания за миллиард лет по предварительным оценкам исчисляется в пределах 400 °С [1].
Особое распространение геотермальные источники получили в ряде различных стран: Исландия, Индонезия, Мексика, Новая Зеландия, Франция, Коста-Рика, Кения, Япония и Филиппины [2, 3].
Классификация
Классификация геотермальных источников энергии [4] происходит по нескольким направлениям:
— по способу извлечения теплоносителя:
— традиционные;
— фонтанные (в случае высокого давления из недр Земли происходит самоизлив теплоносителя);
— насосные (в случае недостаточного давления для самоизлива/фонтани-рования);
— геоциркуляционные (в случае закачки под землю охлажденного теплоносителя);
— по типу используемых ресурсов:
— гидротермальные (в случае использования теплоты естественных геотермальных вод);
— петротермальные (в случае использования теплоты горных пород).
На сегодняшний день можно выделить три основные схемы производства электрической энергии на основе гидротермальных источников:
1. Прямая с использованием сухого пара. Работают в основном на гидротермальном пару (рисунок 1), который поступает в турбину, питающую генератор. Одним из преимуществ является отказ от сжигания топлива;
2. Непрямая с использование водяного пора (рисунок 2);
3. Смешанная схема (бинарный цикл). В данном случае зачастую используются перегретые гидротермы, температура которых превышает 182 °С.
Принцип работы заключается в использовании гидротермального раствора в испарители, куда он нагнетается и достаточно быстро выпаривается, полученный пар и приводит турбину в действие [5]. В случае, когда жидкость не испаряется полностью, ее можно использовать в следующем испарителе, тем самым увеличивая мощность. Помимо раствора в большинстве источников имеется вода с умеренной температурой (менее 200 °С), эта вода может быть использована для получения энергии на геотермальных электростанциях с бинарным циклом производства (рисунок 3). Данная вода с дополнительной жидкостью, имеющей более низкую точку кипения, пропускается через теплооб-
менник, вследствие этого дополнительная жидкость выпаривается геотермальной водой, и полученный пар оказывает воздействие на турбину. Данная система является закрытой, что сводит к минимуму воздействие на экологию в связи с отсутствием выбросов в атмосферу.
Геотермальная энергетика используется для получения электроэнергии и обогрева домов и производственных помещений [6]. Использование геотермального источника зависит от формы получаемой энергии, мы можем получать как «сухой пар», используемый для вра-
щения турбины, так и пар с водой, который необходимо отделить.
Преимущества и недостатки геотермальных источников
Одним из главных достоинств геотермального источника следует выделить неиссякаемость и отсутствие зависимости от условий, сильно влияющих на сторонние альтернативные источники энергии, такие как время суток, года, погоды и окружающей среды [7]. Еще одной отличительной особенностью является возможность достижения показателя
Рисунок 1. Геотермальная паровая электростанция
Figure 1. Geothermal steam power plant
Рисунок 2. Гидротермальная электростанция
Figure 2. Hydrothermal power plant
Рисунок 3. Геотермальная электростанция с бинарным циклом
Figure 3. Binary cycle geothermal power plant
коэффициента использования установленной мощности 80 %, чего не могут достичь остальные источники «зеленой» энергетики.
При этом использование геотермальных источников имеет ряд ключевых недостатков, связанных с экологическими и экономическими аспектами. С экологической стороны проблема заключается в необходимости создания возобновляемого цикла обратной закачки отработанный воды в подземный водоносный горизонт. Эти воды невозможно сбрасывать в природные водные системы, находящиеся на поверхности, в связи с высоким содержанием токсичных металлов (цинк, свинец), неметаллов (мышьяк, бор) и химических соединений (фенол, аммиак). В дополнение к этому стоит помнить о проблеме отложения солей и коррозии трубопроводов. С экономической точки зрения проблема заключается в необходимости поддержания температуры воды от 150 °С и выше для достаточного показателя КПД тепловой машины в области генерации электроэнергии [5]. Для отопления же температура необходима не ниже 50 °С, тем не менее, даже данного показателя достаточно тяжело добиться. Связано это с геотермическим градиентом, который растет на 30 °С при углублении на 1 км. Таким образом, рассматривая только отопление, необходима скважина глубиной более 1,5 км, для генерации электроэнергии — более нескольких километров. Глубинное бурение подобных скважин
экономически нецелесообразно, в связи с чем геотермальные электростанции пытаются располагать в районах с высоким геотермическим градиентом и близким расположением геотермальных вод к поверхности. Зачастую такими территориями являются области с повышенным вулканизмом.
Геотермальные источники
энергии в России
В настоящее время в Российской Федерации разведано более 65 геотермальных месторождений, на 30 % из них ведется промышленная эксплуатация (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край, Дагестан, Краснодарский край, Камчатка и т.д.) [8].
Регион Камчатки стоит выделить отдельно, так как именно в нем процент вырабатываемой электроэнергии посредством геотермальных источников достигает 40 %. По оценкам геотермальные ресурсы Камчатки достигают 5000 МВт, в настоящий же момент используется не более 100 МВт установленной мощности и порядка 500 млн кВтч. Геотермальные электростанции России представлены в таблице 1.
Перспективы использования
геотермальных источников в России
Геотермальная энергетика будет занимать особое место в развитии энергетики в мире в ближайшие десятилетия. Это обусловлено доступностью в связи с использованием тепловых насосов, а
Геотермальная электростанция Установленная мощность, МВт Выработка, кВтч/год
Мутновская ГеоЭС 50 362
Верхне-Мутновская ГеоЭС 12 69,5
Паужетская ГеоТЭС 14,5 44,3
Океанская ГеоТЭС 2,6 -
Менделеевская ГеоТЭС 7,4 -
Таблица 1. Геотермальные электростанции Российской Федерации Table 1. Geothermal power plants of the Russian Federation
также экономической эффективностью использования данного вида возобновляемых источников энергии. Например, в России в будущем использование ГеоЭС может составить 1/5 часть в общем балансе теплоснабжения.
Развитие геотермальной энергетики в РФ позволит открыть дополнительные возможности в обеспечении теплом и электричеством таких отдаленных от ЕЭС районов, как Камчатка и Курильские острова. В данных регионах имеющиеся ресурсы горячих подземных источников практически не используются, а теплоэ-лектроэнергию в основном дают дорогостоящие дизель-генераторы. Таким образом, геотермальные электростанции вполне могут заменить дизель-генераторы. В перспективе ГеоЭС можно будет строить также в Сибири и на Кавказе.
Суммарно геотермальное электро- и теплоснабжение на Камчатке, Курильских островах, Северном Кавказе, некоторых районах Сибири может составить до 50-90 % от общего потребления энергии [4].
В последние годы, благодаря постоянным и активным действиям РАО «ЕЭС России», АО «Геотерм» и АО «Наука», ОАО «РусГидро» при поддержке Минпромнауки и Минэнерго РФ, осуществлен прорыв в области создания и строительства геотермальных электростанций в нашей стране.
Радикальным решением энергетической проблемы Камчатской области является создание энергогенерирующих мощностей, независимых от привозного топлива, путем перехода на собственные геотермальные источники энергии. Регион обладает уникальными запасами геотермального тепла, способными обеспечить суммарную электрическую и тепловую мощность, превышающую 2000 МВт.
Создание и строительство Мутновской ГеоЭС стало крупным энергетическим проектом на Камчатке, который принес важный социальный и экономический эффект всем участникам проекта и помог решить ряд важных научных и практических задач. Камчатка получила самую современную геотермальную электростанцию с дешевой электроэнергией до 55 МВт. Также планируется увеличение мощности данной геотермальной электростанции [9].
Опыт создания Мутновской ГеоЭС стал толчком к развитию нового направления в отечественной науке и технике и укрепил базы наших заводов и институтов в данной области энергетики.
Многолетний опыт обслуживания и эксплуатации первой ГеоЭС с бинарным циклом — Паужетской ГеоЭС — играет важную роль для современного развития данного вида возобновляемых источников энергии.
Значительными запасами геотермального тепла обладает и Чукотка, здесь также ведутся работы по строительству объектов геотермального теплоснабжения [8].
Очень богаты запасами тепла Земли и Курильские острова [10]:
1. На самом крупном острове архипелага — острове Итуруп — были обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, которых по прогнозам хватит для производства 30 МВт электроэнергии;
2. На южном острове Кунашир запасы геотермального тепла уже используются для получения электроэнергии и для теплоснабжения;
3. Известно, что на северном острове Парамушир есть значительные запасы геотермальной воды температурой от 70 °С до 95 °С.
На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения с темпе-
ратурой в резервуаре от 70 °С до 180 °С, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Разведанные ресурсы могут позволить обеспечить электроэнергией мощностью 200 МВт. В Дагестане известно о 14 месторождениях геотермального тепла, на сегодняшний день геотермальным отоплением пользуются более 100 тысяч человек [11].
Приморье, Прибайкалье, ЗападноСибирский регион также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного использования в промышленности и сельском хозяйстве.
Создание локальных систем тепло- и электроснабжения на основе геотермальных ресурсов позволяет в короткие сроки решить проблему энергообеспечения многих гражданских, промышленных объектов на Камчатке, Чукотке, Курильских островах, в Магаданской области и Сибири.
Уже в ближайшие 5-10 лет за счет использования геотермальной энергии РФ могла бы на 20-30 % сэкономить расходы органического топлива на теплоснабжение городов, поселков и военных объектов [12].
Применение современных технологий ГеоЭС: ГеоЭС с бинарным циклом, тепловые насосы, эффективные системы отопления и сушки материалов, — позво-
Список источников
1. Елистратов В.В. Современное состояние и тренды развития ВИЭ в мире // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2017. № 1-3. С. 84-100.
2. Поваров О.А., Томаров Г.В. Развитие геотермальной энергетики в России и за рубежом // Теплоэнергетика. 2006. № 3. С. 2-10.
3. Ахмедзянов А.Р., Богданова Ю.З. Геотермальная энергетика в Германии // Акту-альные вопросы науки и хозяйства: новые вызовы и решения. 2017. С. 183-185.
4. Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: Кпогш, 2010. 227 с.
ляют получить максимальный эффект от геотермального теплоносителя.
Выводы
Основное направление развития геотермальной энергетики в мире и в России — это создание геотермальных электростанций, использующих в качестве топлива низкопотенциальный теплоноситель.
Сегодня геотермальные электростанции в России работают на Камчатке, в Республике Саха (Якутия), в Ленинградской области, на острове Сахалин.
По данным журнала «Энергия из недр земли», за последние годы в мире построено более 20 геотермальных электростанций.
Анализ показал, что в настоящее время геотермическая энергетика занимает весьма скромное место в топливно-энергетическом балансе мира, хотя по выработке электроэнергии она превосходит любой из других видов возобновляемых источников энергии, включая гидроэнергетику и солнечную.
По данным Международного энергетического агентства (1ЕА), в 2016 г. в мире было использовано около 35 ГВт геотермических электростанций, что составляет 0,2 % от мирового потребления электроэнергии.
5. Роза А.В. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 704 с.
6. Лукутин Б.В., Суржикова О.А., Шанда-рова Е.Б. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении. М.: Энерго-атомиздат, 2008. 233 с.
7. Гзенгер Ш., Елистратов В.В., Денисов Р.С. Ветроэнергетика в России: перспективы, возможности и барьеры // Возобновляемая энергетика XXI век: Энергетическая и экономическая эффективность. 2016. С. 216-220.
8. Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России // Перспективы энергетики. 2003. Т. 7. С. 393-403.
9. Богуславский Э.И., Певзнер Л.А., Хаха-ев Б.Н. Перспективы развития геотермальной технологии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2000. № 5. С. 142-148.
10. Безруких П.П. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб, 2002. 314 с.
11. Алхасов А.Б. и др. Вопросы республиканской целевой программы «Использование возобновляемых источников энергии в Республике Дагестан» // Региональные проблемы преобразования экономики. 2015. № 9 (59). С. 36-42.
12. Каркин М.А., Кулаков В.Ю., Селю-нин А.А. Геотермальная энергия // Научные труды студентов ижевской ГСХА. 2015. С. 52-54.
References
1. Elistratov V.V. Sovremennoe sostoyanie i trendy razvitiya VIE v mire [Current Situation and Trends of the World Res Development]. Mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal Al 'ternativnaya energetika i ekologiya — International scientific journal Alternative Energy and Ecology, 2017, No. 1-3, pp. 84-100. [in Russian].
2. Povarov O.A., Tomarov G.V. Razvitie geotermal'noi energetiki v Rossii i za rubezhom [Development of Geothermal Energy in Russia and Abroad]. Teploenergetika — Thermal Power Engineering, 2006, No. 3, pp. 2-10. [in Russian].
3. Akhmedzyanov A.R., Bogdanova Yu.Z. Geotermal'naya energetika v Germanii [Geothermal Energy in Germany]. Aktual'nye voprosy nauki i khozyaistva: novye vyzovy i resheniya [Topical Issues of Science and Economy: New Challenges and Solutions]. 2017, pp. 183-185. [in Russian].
4. Sibikin Yu.D. Netraditsionnye i vozobnov-lyaemye istochniki energii [Non-Traditional and Renewable Sources of Energy]. Moscow, Knorus Publ., 2010. 227 p. [in Russian].
5. Roza A.V. Vozobnovlyaemye istochniki energii. Fiziko-tekhnicheskie osnovy [Renewable Energy Sources. Physical and Technical Foundations]. Moscow, Izdatel'skii dom MEI, 2010. 704 p. [in Russian].
6. Lukutin B.V., Surzhikova O.A., Shandaro-va E.B. Vozobnovlyaemaya energetika v detsent-ralizovannom elektrosnabzhenii [Renewable Energy in Decentralized Power Supply]. Moscow, Energo-atomizdat Publ., 2008. 233 p. [in Russian].
7. Gzenger Sh., Elistratov V.V., Denisov R.S. Vetroenergetika v Rossii: perspektivy, vozmozhnosti i bar'ery [Wind Power in Russia: Prospects, Opportunities and Barriers]. Vozobnovlyaemaya energetika XXI vek: Energeticheskaya i ekonomi-cheskaya effektivnost' — Renewable Energy XXI Century: Energy and Economic Efficiency, 2016, pp. 216-220. [in Russian].
8. Shpil'rain E.E. Problemy i perspektivy vozobnovlyaemoi energii v Rossii [Problems and Prospects of Renewable Energy in Russia]. Perspektivy energetiki — Prospects of Energy, 2003, Vol. 7, pp. 393-403. [in Russian].
9. Boguslavskii E.I., Pevzner L.A., Khakha-ev B.N. Perspektivy razvitiya geotermal'noi tekhnologii [Prospects for the Development of Geothermal Technology]. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten ' (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) — Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal), 2000, No. 5, pp. 142-148. [in Russian].
10. Bezrukikh P.P. e.a. Resursy i effektivnost' ispol 'zovaniya vozobnovlyaemykh istochnikov energii v Rossii [Resources and Efficiency of the Use of Renewable Energy Sources in Russia]. Saint-Petersburg, 2002. 314 p. [in Russian].
11. Alkhasov A.B. e.a. Voprosy respublikanskoi tselevoi programmy «Ispol'zovanie vozobnovlyaemykh istochnikov energii v Respublike Dagestan» [Questions of the Republican Target Program «Use of Renewable Energy Sources in the Republic of Dagestan»]. Regional'nye problemy preobrazo-vaniya ekonomiki—Regional Problems of Transformation of the Economy, 2015, No. 9 (59), pp. 36-42. [in Russian].
12. Karkin M.A., Kulakov V.Yu., Selyunin A.A. Geotermal'naya energiya [Geothermal Energy]. Nauchnye trudy studentov izhevskoi GSKhA [Scientific Works of Students of the ISAA]. 2015, pp. 52-54. [in Russian].
Статья поступила в редакцию 12.01.2023; одобрена после рецензирования 26.01.2023; принята к публикации 31.01.2023. The article was submitted 12.01.2023; approved after reviewing 26.01.2023; accepted for publication 31.01.2023.