CC BY
26ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
GEOTHERMAL ENERGY
Статья поступила в редакцию 19.05.11. Ред. рег. № 1010 The article has entered in publishing office 19.05.11. Ed. reg. No. 1010
УДК 536.242
О РАЗВИТИИ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В УКРАИНЕ
Ю.П. Морозов
Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 08.06.11 Заключение совета экспертов: 18.06.11 Принято к публикации: 28.06.11
Проведен анализ современного состояния геотермальной энергетики Украины и причин снижения темпов практического освоения глубинного тепла Земли.
Ключевые слова: анализ, геотермальная энергетика, снижение темпов, глубинное тепло Земли.
GEOTHERMAL POWER DEVELOPMENT IN UKRAINE
Yu.P. Morozov
Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20А Krasnogvardejska str., 02094, Kyev-94, Ukraine Phone/fax: +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Referred:08.06.11 Expertise: 18.06.11 Accepted: 28.06.11
There have been analyzed state-of-the-art of geothermal power development in Ukraine and reasons of decreasing tendencies in mastering subsurface warmth of the Earth.
Keywords: analysis, geothermal energy, slowing down, deep heat of the Earth.
Геотермальные ресурсы составляют ту часть теп-ловместимости твердой, жидкой и газообразной фаз земной коры, которая может быть извлечена из недр Земли и использована при современном уровне развития техники.
Преимущество геотермальных ресурсов по сравнению с традиционным топливом заключается в том, что они добываются в виде нагретой воды или пара, то есть непосредственно в виде теплоты, которая добывается из недр Земли без применения топлива.
Геотермальные ресурсы по физическим свойствам делятся на петрогеотермальные, то есть нагретые горные породы, и гидротермальные в виде жидкости и газа.
По термогеологическим особенностями геотермальные ресурсы можно разделить на повсеместно распространенные и локальные. К повсеместно распространенным относятся горные породы и грунтовые воды, а к локальным - термальные воды, парогидро-термы, магматические структуры, горные породы с аномальной температурой и нагретые газ и нефть.
Основные направления использования геотермальных ресурсов в зависимости от их температурного уровня приведены в табл. 1. Из таблицы видно, что геотермальные ресурсы могут быть широко использованы как в бальнеологических целях, так и в разных системах теплоснабжения [1].
На данное время в Украине научные, геолого-разведывательные и практические работы были сосредоточены только на геотермальных ресурсах, которые представлены термальными водами.
Общий энергетический ресурс термальных вод, по разным оценкам, составляет от 6500 до 40000 тыс. т у.т. [2].
На рис. 1 и в табл. 2 представлены данные о потенциале геотермальных ресурсов Украины, рассчитанные на основании данных Государственной геологической службы о ресурсах термальных вод в регионах Украины.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Таблица 1
Направления теплоэнергетического использования геотермальных ресурсов в зависимости от их температурного уровня
Тable 1
Direction of heat and power using geothermal resources, depending on their temperature level
Луцьк
JlbEis
236,0 /1.
Ужгород \
Д9.8 17,82
□ Теоретично-можливий потенщал геотермальноТ енергл, тис. т у.п.
I Техшчно-досяжний
потенц1ал термальних вод, тис. т у.п.
□ Економ1чно-доц1льний 357,6 267,67 потенщал термальних вод,
I I тис. т у.п.
8б4,о 4epHiriE
J Хмель- \ ницькми
Житомир
Шнниця I
'Кшв
Харюа
Черкаем
10деса j
Полтава ^
ЮровоградЧ^ ДншропетроЕськ^
Миколатв /
Запор1жжя^
Херсон
С1мферополь
1 Луганськ |
Донецькj
Рис. 1. Потенциал геотермальной энергии Украины Fig. 1. The potential of geothermal energy in Ukraine
Потенциал геотермальных ресурсов в Украине The potential of geothermal resources in Ukraine
Таблица 2 ТаЬ1е 2
674,0
67
18,97
47,0
67,0 53,6
Области Теоретически возможный потенциал геотермальной энергии, тыс. т у.т. Технически достижимый потенциал термальных вод, тыс. т у.т. Экономически целесообразный потенциал термальных вод, тыс. т у .т.
АР Крым 804,0 67,0 53,6
Винницкая - - -
Волынская - - -
Днепропетровская - - -
Донецкая - - -
Житомирская - - -
Закарпатская 236,0 19,8 17,82
Запорожская - - -
Ивано-Франковская 79,0 4,9 3,92
Киевская - - -
Кировоградская - - -
Луганская - - -
Львовская 262,0 30,5 24,4
Николаевская - - -
Одесская 47,0 5,5 4,4
Полтавская 271,0 27,1 18,97
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Продолжение табл. 2
Области Теоретически возможный потенциал геотермальной энергии, тыс. т у. т. Технически достижимый потенциал термальных вод, тыс. т у.т. Экономически целесообразный потенциал термальных вод, тыс. т у.т.
Ровенская - - -
Сумская 674,0 67,4 47,18
Тернопольская - - -
Харьковская 230,0 23,0 16,1
Херсонская 312,0 26,0 20,8
Хмельницкая - - -
Черкасская - - -
Черновицкая - - -
Черниговская 864,0 86,4 60,48
Всего 3779,0 357,6 267,67
Таблица 3
Геотермальные установки в Крыму на базе ГЦС
ТаЬ1е 3
Geothermal heating in the Crimea on the basis of the GCC
Населенные пункты Мощность, МВт Температура воды, °С Дебет скважины, м3/год Объекты теплоснабжения Годовая экономия топлива, т у. т.
с. Ильинка 3,2 57 72 жилой поселок 1574
с. Сизовка 3,5 61 72 жилой поселок 1722
с. Ново-Олексеевка 8,4 53 205 молочная ферма, жилой поселок 4133
с. Котельниково 3,5 65 67 жилой поселок 1722
с. Трудовое 4,5 59 96 теплицы, горячее водоснабжение 2214
с. Зерновое 2,7 50 72 горячее водоснабжение 1328
с. Ровно 6,9 62 139 жилой поселок 3395
с. Янтарное 4,8 85 65 агропромышленный комплекс 2361
с. Пятихатки 6,5 51 167 горячее водоснабжение 3198
с. Медведевка 1,5 67 28 детский сад, жилой поселок 738
Всего 45,5 22385
Практическое освоение термальных вод в Украине началось в 1986 году со строительства геотермальной циркуляционной системы (ГЦС), состоящей из одной подъемной и одной нагнетательной скважины в с. Ильинка Сакского района АР Крым для отопления административных домов. Это была первая ГЦС в бывшем СССР. Эксплуатация ГЦС в с. Ильинка в течение трех отопительных периодов доказала возможность осуществления добычи геотермального тепла с обратной закачкой отработанного геотермального теплоносителя для гидрологических условий Крыма. Таким образом, реализуется практически замкнутый цикл фильтрации геотермального теплоносителя, что обеспечивает охрану окружающей среды от загрязнений.
На основании опыта работы ГЦС в с. Ильинка было построено еще 11 ГЦС в Крыму на базе дуплетов разведывательных скважин, пробуренных государственным предприятием «Крымгеология».
Перечень геотермальных объектов, на которых в разные времена были проведены разведывательные и опытно-промышленные работы, приведен в табл. 3.
Необходимо отметить, что на данное время эксплуатируется только одна установка тепловой мощностью 750 кВт (ЕГУ-0,75) в с. Медведевка Джан-койского р-на АР Крым, которая была построена в ноябре 2002 г. для теплоснабжения комплекса 2-4-этажных домов культурного, коммунально-бытового и производственного назначения: дом культуры, школа, столовая, контора, узел связи, амбулатория,
детский садик, гараж, общежитие, а также секционные многоквартирные жилые дома. Завершаются работы по введению в эксплуатацию первого пилотного научно-производственного объекта, где на протяжении четырех лет будет реализована программа отопления поселка геоциркуляционным модулем установленной мощностью 0,8 МВт [3].
В с. Янтарное в 1993 г. был смонтирован и запущен в эксплуатацию геотермальный тепловой пункт установленной мощностью 2 МВт. С 1993 по 2003 г. пункт снабжал теплом комплекс 5-этажных домов культурного, коммунально-бытового и производственного назначения: дом культуры, школа, столовая, контора, узел связи, амбулатория, детский садик, гараж, общежитие, а также секционные многоквар-
тирные жилые дома. В данное время пункт временно не работает. В настоящее время на базе геотермального теплового пункта при участии Института возобновляемой энергетики НАН Украины проводятся работы по созданию комплекса переработки сельскохозяйственной продукции с использованием термальных вод. Экономия от использования геотермальных вод составляет 1200 т у.п.
Другие объекты законсервированы и на данное время не работают [3].
В табл. 4 приведены сведения о динамике использования геотермальных ресурсов в мире с 2000 по 2005 г. Из таблицы видно, что тепловая мощность установок в 2005 г. составляет 27333,9 МВт, что на 68,6% больше, чем в 2000 г. (16210,8 МВт).
Прямое использование геотермальных ресурсов в мире [ 4, 9] The direct use of geothermal resources in the world [ 9, 10]
Таблица 4 ТаЬк 4
Страна Мощность, МВт Годовое производство Фактор мощности
ТДж/г ГВтч/г
2000 2005 2000 2005 2000 2005 2000 2005
1 Алжир 100,0 152,3 1586 2417 441 671,4 0,50 0,50
2 Аргентина 25,7 149,9 449 609,1 125 169,2 0,55 0,13
3 Австралия 10,4 109,5 294 2968 82 824,5 0,90 0,86
4 Австрия 255,3 352,0 1609 8027,64 447 2229,9 0,20 0,20
5 Бельгия 3,9 63,9 107 431,2 30 119,8 0,87 0,21
6 Болгария 107,2 109,6 1637 1671,5 455 464,3 0,48 0,48
7 Великобритания 2,9 10,2 21 45,6 6 12,7 0,23 0,14
8 Венесуэла 0,7 0,7 14 14 4 3,9 0,63 0,63
9 Гватемала 3,4 2,1 107 52,5 30 14,6 1,00 0,79
10 Гондурас 0,7 0,7 17 17 5 4,7 0,76 0,77
11 Греция 57,1 74,8 385 567,2 107 157,6 0,21 0,24
12 Грузия 250,0 250,0 6307 6307 1752 1752,1 0,80 0,80
13 Дания 7,4 821,2 75 4360 21 1211,2 0,32 0,17
14 Израиль 63,3 82,4 1713 2193 476 609,2 0,86 0,84
15 Индия 80,0 203,0 2517 1606,3 699 446,2 1,00 0,25
16 Индонезия 7,3 2,3 43 42,6 12 11,8 0,19 0,59
17 Исландия 1469,0 1791,0 20170 23813 5603 6615,3 0,44 0,42
18 Италия 325,8 606,6 3774 7554 1048 2098,5 0,37 0,39
19 Иордания 153,3 153,3 1540 1540 428 427,8 0,32 0,32
20 Канада 377,6 461,0 1023 2546 284 707,3 0,09 0,18
21 Карибские острова 0,1 0,1 1 2,8 0 0,8 0,62 0,89
22 Кения 1,3 10,0 10 79,1 3 22 0,25 0,25
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Продолжение табл. 4
Страна Мощность, МВт Годовое производство Фактор мощности
ТДж/г ГВтч/г
2000 2005 2000 2005 2000 2005 2000 2005
23 Китай 2814,0 3687,0 31403 45373 8724 12604,6 0,35 0,39
24 Колумбия 13,3 14,4 266 287 74 79,7 0,63 0,63
25 Корея (южная) 51,0 16,9 1077 175,2 299 48,7 0,67 0,33
26 Литва 21,0 21,3 599 458 166 127,2 0,90 0,68
27 Македония 81,2 62,3 510 598,6 142 166,3 0,20 0,30
28 Мексика 164,2 164,7 3919 1931,8 1089 536,7 0,76 0,37
29 Непал 1,1 2,1 22 51,4 6 14,3 0,66 0,78
30 Нидерланды 10,8 253,5 57 685 16 190,3 0,17 0,09
31 Германия 397,0 504,6 1568 2909,8 436 808,3 0,13 0,18
32 Новая Зеландия 307,9 308,1 7081 7086 1967 1968,5 0,73 0,73
33 Норвегия 6,0 450,0 32 2314 9 642,8 0,17 0,16
34 Перу 2,4 2,4 49 49 14 13,6 0,65 0,65
35 Польша 68,5 170,9 275 838,3 76 232,9 0,13 0,16
36 Португалия 5,5 30,6 35 385,3 10 107 0,20 0,40
37 Россия 307,0 308,2 6132 6143,5 1703 1706,7 0,63 0,63
38 Румыния 152,4 145,1 2871 2841 797 789,2 0,60 0,62
39 Сербия 80,0 88,8 2375 2375 660 659,8 0,94 0,85
40 Словакия 132,3 187,7 2118 3034 588 842,8 0,51 0,51
41 Словения 42,0 48,6 705 712,5 196 197,9 0,53 0,46
42 США 5366,0 7817,4 20302 31239 5640 8678,2 0,12 0,13
43 Таиланд 0,7 1,7 15 28,7 4 8 0,68 0,54
44 Тунис 19,7 25,4 174 219,1 48 60,9 0,28 0,27
45 Турция 820,0 1177,0 15756 19623,1 4377 5451,3 0,61 0,53
46 Венгрия 328,3 694,2 2825 7939,8 785 2205,7 0,27 0,36
47 Украина 45,5 6,3 495,8 68,7 0,4 0,35
48 Филиппины 1,0 3,3 25 39,5 7 11 0,79 0,38
49 Финляндия 80,5 260,0 484 1950 134 541,7 0,19 0,24
50 Франция 326,0 308,0 4895 5195,7 1360 1443,4 0,48 0,53
51 Хорватия 113,9 114,0 555 681,7 154 189,4 0,15 0,19
52 Чехия 12,5 204,5 128 1220 36 338,9 0,33 0,19
53 Чили 0,4 8,7 7 131,1 2 36,4 0,55 0,48
54 Швейцария 547,3 581,6 2386 4229,3 663 1174,9 0,14 0,23
55 Швеция 377,0 3840,0 4128 36000 1147 10000,8 0,35 0,30
56 Япония 257,5 413,4 5836 5161,1 1621 1433,8 0,72 0,40
Всего 16256,3 27329,3 162504,8 258839,7 45008 71868,9 27,41 24,09
Годовое производство геотермальной электроэнергии увеличилось с 45008,0 ГВтч/год в 2000 г. до 71886,9 в 2005 г., то есть на 59,6%.
В 2005 г., как и в 2000 г., некоторые страны (Китай, Исландия, США, Австрия, Канада, Швеция, Швейцария, Турция) развились в качестве крупных потребителей геотермальной энергии для прямого использования. Единственной страной, где тепловая мощность геотермальных установок в 2005 г. снизилась сравнительно с 2000 г. - это Украина. Основной причиной такого положения является прекращение работ по усовершенствованию геотермальных установок из-за отсутствия финансирования. Все геотермальные скважины в Украине (кроме одной), где построены ГЦС, были пробурены в качестве поисковых на термальные воды за государственные средства. Наземное оборудование всех геотермальных установок комплектовалось, как правило, устаревшим оборудованием и из-за нехватки средств на его техническое усовершенствование пришло в упадок. Разведывательные работы не пройдя стадию опытно-промышленной разработки, прекратились, хотя по Кодексу Украины «О недрах» стадия опытно-промышленной разработки составляет пять лет.
Термальные воды для лечебных целей используются на Косинском месторождении Закарпатской области. На территории оздоровительного комплекса
«Косино» построен бассейн, который заполняется термальной водой из скважины № 16-Т. Оздоровительный комплекс функционирует с 1 апреля по 1 ноября, то есть 6 весенне-летних и один осенний месяц.
Большие запасы термальных вод выявлены на территории Днепровско-Донецкой впадины, которая расположена на территории Черниговской, Полтавской, Харьковской, Луганской и Сумской областей.
Термальные воды на территории Днепровско-Донецкой впадины с температурой +50 °С залегают на глубинах 1000-2000 м, с температурой +100 °С -на глубинах 2700-4000 м. Дебеты скважин изменяются от 2 м3/сут. до 1000 м3/сут. Величина газонасыщенности колеблется от 0,098 до 2,0 м3/м3.
Геолого-геотермические характеристики высокотемпературных газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины приведены в табл. 5. Газовые месторождения в результате эксплуатации снижают пластовое давление и постепенно заполняются термальными водами. На разных стадиях добычи газа этот процесс зависит от конкретных условий гидрогеологии, но в результате истощения газовых месторождений они все постепенно замещаются термальной водой. Термальная вода имеет температуру пласта, который содержит эти воды.
Таблица 5
Геолого-геотермическая характеристика высокотемпературных газовых месторождений
Днепровско-Донецкой впадины
ТаЬ1е 5
Geological and geothermal characteristics of high-temperature gas deposits of the Dnieper-Donets basin
Месторождение Глубина залегания, м Пластовая температура, °С Эффективная толщина пласта, м Минерализация, г/л
Коржевское 4320 112 3,2 -
Коржевское 4870 113 14,4 -
Машевское 2900 78-96 4-116 117-242
Опошнянское 3800 94-108 11 99
Опошнянское 4050 108-113 12 -
Опошнянское 4250 108-113 12-47 127
Тимофеевское 3900 98 7-13 240
Тимофеевское 4200 110 16 279
Волоховское 2650-3050 60-901 45 180
Волоховское 3300 100 8,6 -
Волоховское 4200-4300 134 27 -
Березовское 4600-4700 111 13,5 -
Степное 4900 132 4-10 -
Гадяцкое 4600 118 23,3 181
Гадяцкое 4700 120 46 252
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Продолжение табл. 5
Месторождение Глубина залегания, м Пластовая температура, °С Эффективная толщина пласта, м Минерализация, г/л
Котелевское 4450 105 4 -
Котелевское 4600 106 14-27 306-526
Котелевское 5450 132 15 -
Котелевское 5650 140 10,5 -
Солоховское 3900-4200 90 3-14 80-119
Семенцевское 4300 90 4,5-16 93
Яблоневское 3600 92 13 -
Яблоневское 4600-5000 107-129 8-74 -
Абазовское 4100 98 5 -
Абазовское 4350-4600 104 3-6 -
Абазовское 4100-4700 107 14 -
Бельское 3800 96 21 -
Бельское 3900-4100 102 9,7-12 -
Харковцевское 4625 119 6,8 -
Харковцевское 4700 125 3 -
Харковцевское 4760 128 5 -
Харковцевское 4900 130 14 -
Гоголевское 5300 127 4,5 -
Восточно-Полтавское 4450 100 11 260
Восточно-Полтавское 4550 102 3 220
Кульчихинское 3750 99 6 -
Кульчихинское 3800 99 4 -
Кульчихинское 3850 99,5 4-7 213
Кульчихинское 3850 100 7 -
Кульчихинское 4000 106 3 -
Кульчихинское 3950-4200 106 6 -
Кульчихинское 3900-4200 104 26 -
Из табл. 5 видно, что на Украине есть достаточно геотермальных месторождений с высоким температурным потенциалом, что позволяет использовать геотермальное тепло для добычи электроэнергии. ГеоТЭС могут работать в пиковом режиме, так как имеют высокую маневренность. Кроме того, производство электроэнергии из термальных вод позволяет решить проблемы транспортировки теплоты на большие расстояния.
В табл. 6 представлены основные показатели термодинамической эффективности циклов ГеоТЭС в зависимости от начальной температуры рабочего тела цикла ГеоТЭС.
Термальные воды некоторых месторождений имеют лечебные свойства и содержат редкие и ценные химические элементы. В связи с этим термальные воды целесообразно использовать комплексно. Согласно Постановлению КМУ № 432 от 5 мая 1997 г. комплексное использование месторождений полезных ископаемых - это добыча всех полезных ископаемых месторождения и извлечение имеющихся полезных компонентов и их промышленное использование, а также использование отходов, которые образуются в процессе добычи и переработки минерального сырья.
Таблица 6
Основные показатели термодинамической эффективности циклов ГеоТЭС
Table 6
Key indicators of thermodynamic efficiency cycles of GeoTES
Цикл ГеоТЭС Начальная температура, °С (К) Эффективный КПД цикла, пе, % Удельные расходы теплоносителя, кг/кВтгод
Одноконтурные ГеоТЭС со ступенчатым расширением теплоносителя - одноступенчатая - двухступенчатая - трехступенчатая
107-207 (380-480) 1-6 1000-80
2-8 500-50
2,5-9 350-40
Двухконтурная ГеоТЭС - рабочее тело - водяной пар - рабочее тело - изобутан - рабочее тело - н-пентан
207 (480) 5 800
97-157 (370-430) 5-7,5 1000-500
117-193 (390-470) 9-11,5 200-30
«Треугольный» цикл с гидропаровыми турбинами 133-207 (400-480) 5,5-8,0 250-70
Наиболее перспективными относительно практического использования гидроминерального сырья являются Южно-Донецкий, Центральный и Красноармейский углепромышленные районы Донбасса. Здесь в подземных водах палеозойских залежей найдены промышленные концентрации германия, лантана и лития и приближенные к промышленным концентрации рубидия и других элементов.
В Причерноморском артезианском бассейне аномалии повышенных концентраций йода и брома найдены на нефтяном месторождении Октябрьское (до 68,5 мг/л), на газоконденсатном Западно-Октябрьском месторождении в залежах неокома, альта и сеномана (до 46,8 мг/л), а также на Джанкойском газовом месторождении в залежах палеоцена (до 27,6 мг/л).
В Карпатском регионе аномальное содержание йода и брома приурочено к тортонским залежам сармата Залужской площади (Закарпатский прогиб); во внутренней зоне Предкарпатского прогиба и в Складчатых Карпатах йодо-бромные воды найдены в залежах мела, палеогена и неогена. Содержание йода достигает 115 мг/л, а брома - 300 мг/л.
В Днепровско-Донецком артезианском бассейне наиболее благоприятной для формирования промышленных концентраций йода и брома является его центральная часть. Кондиционные концентрации йода встречаются на 7 (16,3-86,3 мг/л) и брома на 9 площадях (252-859,2 мг/л).
Новым направлением использования термальных вод в промышленности может быть их применение для регенерации отработанных масел.
Мировой объем производства смазочных материалов в настоящее время составляет около 30 млн т. Значительная часть используемых смазочных масел в процессе эксплуатации бесповоротно теряется (чад, испарение, утечки). Смазочные материалы, непри-
годные к последующему использованию по окончании срока службы по своему состоянию, изымаются из систем масла и заменяются свежими.
Среди многочисленных направлений использования отработанных масел первое место отводится методам частичного или полного возобновления их первичных свойств с целью повторного использования по прямому назначению. Возобновление отработанных масел позволяет экономить трудовые ресурсы, капиталовложения, материалы и энергию; повышать степень обеспеченности собственными ресурсами и снизить расходы на утилизацию отработанных продуктов.
Использование отработанных масел в настоящее время осуществляется в основном по трем направлениям: регенерация, вторичная переработка, переработка с получением топлива.
Важной проблемой является удаление из отработанных масел высокотоксичных галогеносодержа-щих соединений. В ряде зарубежных стран для этого используются специальные стационарные и передвижные очистительные установки. За рубежом значительное внимание также уделяют охране окружающей среды от попадания токсичных веществ. Для предотвращения таких случаев в ряде стран принимают меры законодательного и организационного характера [6].
Верховная Рада Украины ратифицировала практически все международные документы в области экологии, которые касаются проблем обращения с отработанными нефтепродуктами, и сейчас создана собственная законодательная база, которая полностью отвечает требованиям этих документов.
В соответствии с принятыми решениями отработанные нефтепродукты, будучи опасными отходами, подлежат обязательному сбору и утилизации, а в отдельных случаях и уничтожению.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Среди разных направлений использования отработанных масел наиболее важное место уделяется методам регенерации - полному возобновлению их первичных свойств с целью повторного использования по прямому назначению. Возобновление первичных свойств производится, как правило, путем сложной многоступенчатой переработки на специализированных предприятиях.
Наиболее распространенным методом вторичной переработки отработанных масел является процесс фирмы «Ме1пкеп». На его долю приходится около 60% всех установок, которые строятся в Западной Европе и большинстве развивающихся стран.
С 2004 года в Украине начал действовать ряд новых экологических законов, которые выводят обращение с опасными отходами на мировой уровень. В первую очередь это касается отработанных масел по ДСТ 21046-86 «Нефтепродукты отработанные» групп: МИО, МПО, СНО (масла индустриальные отработанные, масла проворные отработанные, смесь нефтепродуктов отработанных).
До этого отработанные нефтепродукты никогда не имели в Украине статуса опасных отходов. В 1993 г. они в результате ряда объективных обстоятельств реально потеряли и принадлежавший им до 1993 г. статус вторичных ресурсов. Фактически обращение с отработанными нефтепродуктами в Украине в последние четырнадцать лет никем не контролировалось. Это привело к тому, что большая часть отработанных нефтепродуктов сегодня бесконтрольно выбрасывается в окружающую среду или вращается в теневом секторе экономики. В Украине ежегодно образуется как минимум 500 тыс. т этих опасных отходов.
Отработанные нефтепродукты вносят наибольший вклад в глобальное загрязнение планеты, и в первую очередь ее водных ресурсов. Всего в отработанных маслах идентифицированы 38 химических соединений, которые имеют канцерогенное и мутагенное влияние, в том числе: бензопирен, полихлор-дифенилы, диоксины, фураны и др. Два из них: по-лихлордифенилы и диоксины - включены Стокгольмской конвенцией в список 12 наиболее токсичных стойких органических загрязнителей планеты. Эти отходы - также один из основных загрязнителей грунтовых вод [6].
Предлагается построить завод по переработке отработанных масел на геотермальном месторождении. Расположение завода на территории геотермального месторождения дает возможность решить две проблемы: 1. Использовать тепло термальных вод для обеспечения технологического процесса регенерации отработанных масел. 2. Обеспечить сброс сопутствующих продуктов, которые содержатся в отработанных маслах.
Разместить завод по сбору, предварительной переработке и регенерации отработанных масел можно, например, на Гадяцком газоконденсатном месторождении, на котором по состоянию на 1978 г. были пробурены 16 скважин.
Месторождение введено в разработку в 1977 г. Его разработка по проекту предусматривается двумя эксплуатационными горизонтами. В период опытно-промышленной эксплуатации закачивалось 1000 м3 воды за сутки.
Систему добычи термальных вод можно осуществить с помощью скважин № 2 и № 6. Скважина № 2 может быть использована в качестве нагнеталь-ной скважины, а № 6 - для закачивания отработанных термальных вод.
Глубина скважин - 5120 и 5200 м соответственно, температура на устье скважины № 2 - 120 °С, газонасыщенность - 5,1 м3/м3, дебит - 6,1 кг/с.
Технико-экономические расчеты показывают, что для реализации проекта строительства завода по регенерации отработанных масел на Гадяцком месторождении с использованием термальных вод необходимы капиталовложения в размере 26,495 млн грн., из которых на приобретение установки для переработки отработанных масел «под ключ» фирмы «Мешкеп» мощностью 10 тыс.т/год составляет 15 млн грн. На проектные работы, ремонт двух скважин и обустройство системы добычи термальной воды необходимы расходы в размере 11,495 млн грн. Срок окупаемости по расчетам 1 год после пуска, или 2,5 года с начала реализации проекта.
За последнее время развитие геотермальной энергетики наибольшими темпами происходит благодаря применению геотермальных насосов, которые позволяют использовать низкоэнтальпийное тепло.
В системах теплоснабжения с тепловыми насосами могут использоваться такие источники низкопотенциальной тепловой энергии верхних слоев земли: поверхностные водоемы; грунтовые массивы; верхние подземные водоносные горизонты.
Источник тепла должен иметь стабильную температуру и дебеты на протяжении отопительного сезона, пригодные теплофизические характеристики, не вызывать коррозию и солеотложения в оборудовании, не требовать значительных инвестиций и расходов на обслуживание систем теплоснабжения.
В связи с этим является актуальным анализ гидрогеологической и геотермической информации относительно верхних водоносных горизонтов Украины.
Верхней границей анализа гидрогеологической информации является первый от поверхности земли постоянно действующий водоносный горизонт, который имеет относительно стабильный режим и слабозависим от климатических условий территории.
Нижняя граница анализа гидрогеологической информации определяется техническими возможностями массового бурения и составляет приблизительно 300 м.
Изучение геологической информации дает основания сделать следующие выводы.
Наиболее перспективными для использования водоносных горизонтов в системах теплоснабжения с тепловыми насосами являются северные районы Украины: Волыно-Подольский артезианский бас-
сейн, Житомирское Полесье, большая часть Днепров-ско-Донецкого артезианского бассейна. В пределах этих районов распространена мощная зона пресных вод с минерализацией до 1 г/л, водоносные горизонты залегают неглубоко, безнапорные или слабонапорные. Средняя температура составляет 10-15 °С.
Водоносные горизонты южных территорий Украины и Карпатского региона характеризуются неблагоприятными условиями для использования в теплонасосных установках. Это связано с невысокой и неравномерной водообогащенностью горизонтов, повышенной минерализацией и техногенным истощением эксплуатационных запасов пресных вод.
В пределах территории Украины глубина залегания нейтрального слоя, то есть уровня постоянных годовых температур, изменяется от 8 м (на северо-западе) до 16,1 м (на юго-востоке страны). Соответственно, температура грунта на глубине нейтрального слоя изменяется от 3,7 до 6,4 °С.
Источником теплового поля земной коры и Земли в целом являются внутренние (планетарные) и внешние (космические) процессы.
К внутренним процессам, которые сопровождаются выделением теплоты, относятся распад радиоактивных элементов, приливное трение, релаксация упругих напряжений, кристаллизационные и полиморфологические превращения, фазовые переходы, химические реакции и другое [7].
К внешним источникам тепла относятся космическое излучение (солнечная радиация, корпускулярное и другое излучение Солнца, звезд и галактик) [8].
Температурные изменения, которые происходят с разными периодами в приповерхностном слое атмосферы, образуют в верхней части земной коры суточные, годовые и вековые колебания температуры.
По многочисленным данным гидрометеослужбы, средняя глубина залегания слоя постоянных суточных температур 0,8-1,0 °С колеблется в границах от 0,2 до 1,5-2 м и больше. Нижняя граница колебаний наблюдается зимой под снежным покровом мощностью 0,2 м. Если считать, что суточные колебания температуры распространяются до глубины 1,5 м, то годовые - приблизительно до 30 м.
Экспериментальные исследования распределения температуры почвы свидетельствуют о зависимости верхних слоев грунта от характера изменений температуры воздуха. На рис. 2 представлены результата изменения измерений в виде разницы температуры грунта (Тg) на установленных глубинах и усредненной температуры воздуха за месяц (Тв) в зависимости от последней [8].
Повсеместно распространенным геотермальным теплом является тепло, аккумулированное горными породами. Средняя температура горных пород на глубинах от нейтрального слоя до глубины 300 м составляет 13-15 °С. Верхние слои Земли могут быть источником тепла для тепловых насосов и использоваться для отведения тепла с целью регуляции тем-
пературного режима в помещениях. Кроме того, верхние слои Земли могут быть использованы в качестве аккумуляторов тепловой энергии.
Проведен технико-экономический анализ теплоснабжения дома на территории Национального ботанического сада им. М.М. Гришко НАН Украины с применением тепловых насосных установок и подземных аккумуляторов тепла.
(Тв- Tg), "С +20 +10
о
-10 -20
-30
-20 -10 0 +10 +20 +30
Те,'С
Рис. 2. Зависимость изменения температуры грунта от температуры воздуха на глубинах от 0,2 до 8,6 м
Fig. 2. Dependence of soil temperature to air temperature at depths ranging from 0.2 to 8.6 m
Система отопления корпуса № 2 Ботанического сада позволяет осуществлять отопление первого этажа дома отдельно от отопления второго и третьего этажей. Номинальная тепловая мощность, которая необходима для отопления первого этажа корпуса № 2, составляет 20 кВт.
Схема теплоснабжения первого этажа корпуса № 2 с использованием подземного аккумулятора и применением ТНУ, а также технические характеристики отопления приведены на рис. 3 и в табл. 7.
Источником низкопотенциального теплоносителя в тепловой насосной установке (ТНУ) в этом варианте теплоснабжения является атмосферный воздух с температурой до -10 °С. Основными элементами системы теплоснабжения являются ТНУ и подземный аккумулятор тепла. В ночной период используется электроэнергия по ночному тарифу.
Согласно схеме, атмосферный воздух поступает в испаритель теплового насоса и отдает свое тепло рабочему телу, которое в конденсаторе теплового насоса передает тепло сетевой воде, а она поступает в систему отопления первого этажа корпуса № 2.
Тепловая мощность теплового насоса равняется максимальному значению тепловой нагрузки потребителя, которое существенно отличается от средне-интегрального (в 1,8 раза) и текущего значения тепловой нагрузки потребителя. Таким образом, мощность теплового насоса позволяет выработать большее количество тепла, чем нужно по графику теплопотребителя.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Максимальная тепловая нагрузка, кВт 21,3
Номинальная тепловая производительность ТНУ, кВт 22,5
Мощность, потребляемая ТНУ, кВт 8,0
Объем подземного аккумулятора тепла (ПАТ), м3 8,0
Минимальная температура атмосферного воздуха для работы ТНУ, °С -10
Объем отапливаемых помещений, м3 756,5
Длительность отопительного периода, час 4416
Время заряжения ПАТ (ночной тариф на электроэнергию), час 7
Мощность циркуляционного насоса, кВт 1
Количество произведенного тепла, Гкал 47,244
С целью более рационального использования мощности теплового насоса целесообразно в ночной период теплоснабжения избыток вырабатываемого тепла аккумулировать с помощью подземного аккумулятора.
Работа теплового насоса, за исключением незначительного периода максимальной тепловой нагрузки (360 часов), происходит при максимальной производительности только ночью, когда потребление электроэнергии осуществляется по ночному тарифу. В этот период проводится выработка тепла для отопления дома и для его аккумуляции. После завершения ночной фазы сначала используют тепло, которое содержится в аккумуляторе, а затем, после его истощения, включается тепловой насос, который работает в режиме, требуемом теплопотребителями в соответствующий момент графика теплоснабжения (рис. 4).
Рис. 3. Схема теплоснабжения первого этажа корпуса № 2 Национального ботанического сада им. М.М. Гришко НАН
Украины (с использованием атмосферного воздуха): Б - дом; ЕК - электрокотел; ЦН - циркуляционный насос; ТПУ - тепловая насосная установка; К - конденсатор; В - испаритель; ВВ - центробежный вентилятор; ДВ - дроссель-вентиль; КД - компрессор с электродвигателем; ХВ - холодная вода; НН - нагнетательный насос;
ПА - подземный аккумулятор; —► - «ночь»;---^ «день»
Fig. 3. Scheme of heating of the first floor of the case number 2 of M.M. Grishko National Botanic Garden of NAS (with air)
Таблица 7
Технические характеристики отопления первого
этажа корпуса № 2 с использованием ТНУ типа «воздух-вода» и подземного аккумулятора
Table 7
Specifications of heating the first floor of building № 2 using TNU such as "air-water" and an underground battery
Рис. 4. График регуляции тепловых нагрузок корпуса № 2 Национального ботанического сада им. М.М. Гришко НАН
Украины (Qmax = 22,5 кВт) Fig. 4. Schedule of regulation of thermal loads hull number 2 of M.M. Grishko National Botanic Garden of NAS (Qmax = 22,5 kW)
Применение теплового насоса системы воздух-вода для отопления помещений предусматривает для обеспечения постоянной тепловой производительности использование электроподогревателя, который позволяет гарантированно обеспечить нужный график теплоснабжения. Поскольку отопление от теплового насоса осуществляется параллельно с действующей системой централизованного теплоснабжения, регуляция нужного теплового режима возможна путем подключения к централизованному отоплению в период, когда тепловой насос не обеспечивает необходимое количество тепла. Электроподогреватель в таком случае не нужен.
Расчеты себестоимости трех вариантов отопления Ботанического сада показывают, что себестоимость двух вариантов произведенного тепла с помощью ТНУ на 14-23% ниже, чем стоимость тепла, которое подает ТЭЦ, невзирая на то, что тепло для ботсада подается по низким для Киева тарифам.
Стоимость одной Гкал тепла для Ботанического сада за 2005 отопительный год, включая НДС, составляла 77,68 грн.
Применение ночного тарифа с аккумуляцией тепла при использовании ТНУ на 26-30% снижают себестоимость отпущенного тепла.
Срок окупаемости капиталовложений в лучшем из вариантов составляет 8 лет. Снижение этого показателя можно осуществить за счет увеличения времени использования теплового насоса в режиме его высокой производительности путем подключения дополнительных теплопотребителей. Кроме того, продлить
время работы ТНУ можно за счет использования его летом для кондиционирования помещений.
Стоимость тепла, которое поставляет ТЭЦ, установлена при низкой цене газа. Если цена на тепло и электроэнергию вырастет на 50%, то при применении ТНУ себестоимость отпущенного тепла повысится только на 30% (то есть эффективность ТНУ вырастет на 20%). Таким образом, при повышении цены на топливо экономическая целесообразность использования тепловых насосов будет расти.
В технико-экономических расчетах (табл. 8) не учтены амортизационные отчисления.
Таблица 8
Технико-экономические показатели отопления первого этажа корпуса № 2 Ботанического сада
с использованием ТНУ типа «воздух-вода»
Table 8
Techno-economic performance of heating of the first floor building № 2 of Botanic Garden
with TNU-type "air-water"
Показатель Значение
1. Капитальные расходы, грн. 1.1. Стоимость разработки проектной документации 1.2. Тепловой насос производительность 22,5 кВт типа «воздух-вода» фирмы СИАТ 1.2.1. Тепловой насос производительностью 22,5 кВт типа «воздух-вода» фирмы СИАТ 1.2.2. Подземный аккумулятор тепла объемом 8 м3 1.2.3. Сетевой насос мощностью 1 кВт (2 единицы) 1.3. Расходы на подготовку системы отопления 1.4. Расходы на строительно-монтажные и пусконаладочные работы 820 39000 6000 1200 1500 1080
2. Всего капитальные расходы, грн. 49600
3. Удельные капитальные вложения, грн./кВт 2204,4
4. Расходы производства, грн. 4.1. Обслу живание (заработная плата) 4.2. Расходы на электроэнергию с учетом двух недель отопления от централизованной системы 4.2.1. Применение существующего тарифа на электроэнергию 4.2.2. Применение ночного тарифа на электроэнергию 4.2.3. Применение ночного тарифа на электроэнергию и аккумуляцию тепла 700 3148,2 2456,1 2131,1
5. Всего расходы производства, грн. 5.1. ТНУ работает без применения ночного тарифа на электроэнергию и аккумулятора тепла 5.2. ТНУ работает с применением ночного тарифа на электроэнергию 5.3. ТНУ работает с применением ночного тарифа на электроэнергию и аккумулятора тепла 3848,2+А 3156,1+А 2831,1+А
6. Себестоимость произведенного ТНУ тепла, грн./Гкал 6.1. ТНУ работает без применения ночного тарифа на электроэнергию и аккумулятора тепла 6.2. ТНУ работает с применением ночного тарифа на электроэнергию 6.3. ТНУ работает с применением ночного тарифа на электроэнергию и аккумулятора тепла 81,45 66,8 59,5
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Согласно Закону Украины от 18.11.97 г. № 639/97-ВР под понятием «амортизация» основных фондов и невещественных активов следует понимать постепенное отнесение расходов на их приобретение, изготовление или улучшение, на замещение откорректированной прибыли плательщика налога в пределах норм амортизационных отчислений.
Ботанический сад фактически не имеет прибыли от применения ТНУ, потому что использует произведенное тепло для собственных потребностей. Экономическая выгода использования ТНУ заключается для Ботанического сада в меньших расходах на отопление сравнительно с теплоснабжением от ТЭЦ.
В случае если администрация Ботанического сада примет решение о применении амортизационных отчислений, тогда себестоимость произведенного с помощью ТНУ тепла вырастет на 30-35%, но цена тепла будет значительно ниже, чем от ТЭЦ.
Выводы и предложения
1. По разным оценкам ресурсы термальных месторождений составляют от 6272,0 до 40000 тыс. т у.т.
2. Недра Украины имеют большие геотермальные ресурсы, в том числе термальные воды, температура которых в ряде районов составляет 90 °С и выше.
3. В Украине с 1986 г. осваиваются геотермальные установки на базе геотермальных циркуляционных систем, которые отвечают современным технологиям добычи тепла Земли.
4. В Крыму построено 11 геотермальных циркуляционных систем, которые необходимо технически оборудовать для их последующей эксплуатации.
5. В Украине законсервированы или ликвидированы сотни скважин, которые выявили термальную воду, они могут быть возобновлены для их последующей эксплуатации в качестве системы добычи геотермального тепла.
6. Развитие геотермальной энергетики тормозится отсутствием государственной поддержки этой отрасли возобновляемой энергетики.
7. Строительство и эксплуатация геотермальных циркуляционных систем связано с рисками геологического характера и поэтому, на наш взгляд, должно финансироваться на стадии опытно-промышленного освоения за счет государственных средств.
8. Согласно статье 14 Кодекса Украины о недрах, опытно-промышленная разработка является стадией геологического изучения недр и поэтому может быть осуществлена за счет платежей за пользование недрами. Все геотермальные установки работают на опытно-промышленной стадии и могут финансироваться за счет отчислений на геолого-разведывательные работы.
Список литературы
1. Published by the International Geothermal Association IGA - European Branch, 2001.
2. Шурчков А.В. Опыт и перспективы использования геотермальной энергии на Украине // Проблемы геотермальной энергии, Санкт-Петербург, 21-27 июня, 1993. Тезисы докл. и сообщ. СПб., 1993. С. 147.
3. Кимаковский К. Потенциал и целесообразность развития геотермальных источников в Крыму // Досввд. Внедрение новейших технологий. Киев, 2007. № 2(14). С. 34-36.
4. Lund J.W., Freeston D.H. World-wide direct uses of geothermal energy // Geothermics. 2000. Vol. 30. Great Britain. P. 29-68.
5. Lund J.W., Freeston D.H., Boyd T.L. World-wide direct uses of geothermal energy - 2005 // Proceedings World Geotermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 2429 April 2005.
6. Евдокимов А.Ю., Фукс И.Г. Использование отработанных и смазочных материалов в капиталистических странах. М.: ЦНИИТЭИМС, 1989. № 17. С. 49.
7. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. Л.: Недра, 1965.
8. Череменский Г.А. Геотермия. Л.: Недра, 1972. С. 272.
9. Curtis R., Lund J., Sanner B., Rybach L., Hellstrom G. Ground Source Heat Pumps - Geothermal Energy for Anyone, Anywhere: Current Worldwide Activity / Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005.
10. Curtis R.H. Worldwide Status of Closed Loop Ground Source Heat Pump Systems. Proc. WGC, Florence, Italy, 1995.
