CC BY
40
© Ю.П. Трухин, Р.И. Пашкевич, В.В. Таскин, 2014
УДК 621.311.25+621.311.1.003
Ю.П. Трухин, Р.И. Пашкевич, В.В. Таскин
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА, РУДНОГО И ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ НА КАМЧАТКЕ
Рассмотрены перспективы создания геотермальных энерготехнологических комплексов на Камчатке. Разработаны технологические схемы комплексного освоения ресурсов Мутновской и Авачинской магматогенных геотермальных систем с целью промышленного получения водорода, рудного и химического сырья. Представлены технико-экономические показатели проектов комплексов. Ключевые слова: геотермальные энерготехнологические комплексы, комплексное освоение, получение водорода, технико-экономические показатели.
Г'еотермальный энерготехнологический комплекс (ГЭТК) представляет собой совокупность геотермальной электрической станции, химического комбината по извлечению и производству ценных химических элементов и соединений, водородной станции и вспомогательной инфраструктуры (рис. 1).
Комплекс функционирует за счет использования двух источников: тепловой энергии близповерхностных магматических очагов и химического сырья в виде гидротермального раствора и парогазовой смеси. Энерготехнологический комплекс обеспечивает повышение рациональности использования геотермальных ресурсов, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, а также снижение себестоимости всей продукции — электрической энергии, водорода, химического и рудного сырья.
По различным оценкам мощности геотермальных систем составляют для Камчатского края по тепловой от 4 до 5 ГВт, по электрической от 2 до 6 ГВт. Для Курильских островов по тепловой от
24
Рис. 1. Геотермальный энерготехнологический комплекс
200 до 500 МВт, по электрической от 300 до 1300 МВт. В целом максимальная прогнозная мощность геотермальных систем Камчатки и Курильских островов составляет по тепловой энергии более 5 ГВт, по электрической энергии более 7 ГВт [1].
В настоящее время в мире интенсивно реализуется идея развития водородной энергетики и водородной экономики. Исландия одной из первых стран объявила курс на создание водородной экономики. Часть судов рыболовецкого флота Исландии уже переведена на водород, а до 2015 г. планируется перевести на это топливо весь флот. В г. Грундартанги работает алюминиевый комбинат производительностью 260 тыс. тонн в год алюминия, использующий на 70% в качестве базы производства геотермальную энергию. Планы строительства водородной экономики также приняты в Корее и Индии к 2020 г., ЮАР и США к 2025 г. В США на Гавайских островах в настоящее время строится водородная станция, работающая на электроэнергии, полученной от геотермальной станции. Существует проект производства водорода на основе геотермальных электростанций на вулкане Макушин (Уналашка, Аляска).
25
На Дальнем Востоке России, на Камчатке, вулкан Мутновский проявляет устойчивую парогазовую активность и стабильный вынос из активной воронки фтористого водорода, серы и других компонентов [2]. В соответствии с данными масспектрального анализа конденсата высокотемпературного магматогенного флюида вулкана, ежегодный вынос составляет водорода — 360 т/год, плавиковой кислоты — 18 тыс. т. В энергетическом эквиваленте ежегодный вынос водорода соответствует 1,6 млн л бензина, или 90 тыс. средних заправок автомобилей. На основе данных полевых работ выполненных НИГТЦ ДВО РАН на вулкане Горелом в 2010 году, а также в 2011 г. международной группой исследователей из России (ИГЕМ РАН), Италии, Франции, Великобритании и Мексики выполнена оценка выноса водорода с газами высокотемпературных выходов воронки кратера вулкана Горелый. Суточный вынос водорода составлял около 7 т, или 2500 т/год, 77 тыс. м3/сут, 28 млн м3/год.
Для реализации перспектив создания ГЭТК необходимо решить ряд следующих фундаментальных и прикладных задач:
1. Оценить тепловые геотермальные ресурсы как базу производства водорода.
2. Оценить ресурсы водорода магматогенных геотермальных систем.
3. Выполнить теоретическое и экспериментальное моделирование процессов генерации водорода в магматических очагах.
4. Разработать геотехнологические схемы геотермального производства водорода.
5. Получить новые корозионно-стойкие материалы для обсадных труб геотехнологических скважин и продуктопроводов, устойчивые в работе при высоких температурах и давлениях
6. Разработать новые технологические схемы и процессы промышленного производства и хранения водорода (электролитические, мембранные и др.).
7. Разработать интегрированные системы производства электроэнергии и водорода на базе геотермальных ресурсов.
8. Разработать системы и материалы водородного аккумулирования энергии для ГеоЭС.
Ранее выполнена оценка тепловых ресурсов Мутновской маг-матогенной геотермальной системы [3]. При разработке петроге-отермальных ресурсов по скважиной циркуляционной технологии
26
при единичной мощности ГеоЭС 30 МВт с расчетным сроком эксплуатации 20 лет, полная мощность ГеоЭС на доступной площади бурения составит 200 МВт. Показана возможность устойчивого режима эксплуатации системы скважин для периода до 20 лет. При разработке системы по стандартной технологии и добыче надкритического флюида мощность ГеоЭС составит 1200 МВт.
Разработана технологическая схема комплексного освоения ресурсов магматического очага Мутновского вулкана (рис. 2). Комплекс производит плавиковую, серную и соляную кислоты, серу, цинк, кадмий, висмут, а также электроэнергию, используемую в горной промышленности. Водород направляется на прямое восстановление оксидных руд (титано-магнетитовые пески). Азеотропная смесь кислот направляется на обогащение руд.
Сырьевой базой для геотермального комплекса Мутновской магматогенной геотермальной системы являются месторождения полезных ископаемых сосредоточенные в радиусе 20 км от центра системы (рис. 3).
Вырабатываемая электроэнергия, водород и химическое сырье будет использоваться для разработки и обогащения руд золото-серебряных месторождений района Мутновского вулкана, с ресурсами более 60 т золота и 400 т серебра.
Проект предполагает три этапа с наращиванием электрической мощности ГеоЭС до 1000 МВт, тепловой — до 4300 Гкал/ч с
Рис.2. Технологическая схема комплексного освоения ресурсов магматического очага Мутновского вулкана
27
Центральное
О
Уч.Южный
^(аратунское
Вилючинское О О
Рогатка, Быстринское0 ^^ Карбонатное
Руч.ПенистыйО
^^Родниковое
^ ^^Мутновское
фСр,Опала
и Тарбаганья
^ Гора Асача
Асачинское
О
5 0 5 10 км
Месторождения Ресурсы
Золото Серебро Камень строительн. Гигнимбоиты)
1. Родниковое >30 т
2. Мутновское 14т 455 т
3. Асачинское >20 т
4. Мутновское 7,5 млн.м3
Условные обозначения: ф - месторождения (золото, серебро) О - проявления (золото, серебро) О
О - пункты минерализации (медь)
Неметаллические полезные ископаемые:
• ^ - камень строительный(игнимбриты)
- пемзокластические туфы
Д - проявления серы
г | - плейстоцен-голоценовые вулканические образования
Рис. 3. Схема расположения месторождений, рудопроявлений и пунктов минерализации в районе вулкана Мутновский, на основе [4]
Таблица 1
Технико-экономические показатели проекта ГЭТК на базе тепловых ресурсов Мутновской магматогенной геотермальной системы
Этап Мощность ГеоЭС, МВт Мощность ВС, тыс. м3/ч Капиталовложения, млрл руб Товарная продукция Реализация, млрд руб.
н2 о2
Бурение ГеоЭС ВС ВСЕГО млн м3 тыс. т млн м3
1 200 24 4 14 13 31 210,2 18,9 105,1 22,7
2 300 36 6 19 18 43 315,4 28,3 157,7 34,1
3 500 60 10 26 25 61 525,6 47,2 262,8 56,8
ИТОГО: 1000 120 135 1051,2 94,4 113,6
Таблица 2
Этапы и выпуск продукции перспективного ГЭТК на базе тепловых ресурсов Мутновской магматогенной геотермальной системы
Этап А1, тыс. т. Т1, Ге, млн т Нанопорошки №, Си, Ад Плавиковая кислота Серная кислота Соляная кислота
млн т млрл руб. (№) тыс. т. млрл руб. тыс. т. млрл руб. тыс. т.
1 167 13,5 1,8 475 200 20 400 300
2 250 20,3 2,6 686 400 30 600 300
3 417 33,8 4,4 1 161 600 30 600 400
ИТОГО: 833 67,5 8,8 2 323 200 80 14,3 1600 33,6 1000
ю со
головым выпуском промышленной продукции на последнем этапе до 100 т водорода, 80 тыс. т плавиковой кислоты, 2 млн т серной кислоты, 1 млн т соляной кислоты, 800 тыс. т алюминия и 9 млн т нанопорошков металлов (табл. 1, 2).
Разработана и предлагается к внедрению технологическая схема освоения тепловых ресурсов магматического очага Авачинского вулкана, включающая геотермальные тепловую и электрическую станции (рис. 4).
Потребителями электроэнергии выступают водородная станция, металлургический комбинат, город Петропавловск-Камчатский и объекты его инфраструктуры. Потребителями теплоты являются существующие и перспективные к строительству объекты. Схема предусматривает использование промышленных водородных станций (рис. 5).
Электрическую энергию, вырабатываемую на перспективных геотермальных станциях предлагается использовать для разработки ряда месторождений полезных ископаемых, расположенных в радиусе 20 км от кратера вулкана — торф, песчано-гравийная смесь, пемза, титано-магнетитовый песок (рис. 6).
Определены технико-экономические показатели строительства блока пилотной ГеоЭС мощностью 34 МВт, показывающие целесоо-
Металлургический комбинат (восстановление окислов металлов (титано-магнети-товый песок, алюминий) в водородной плазме
—► Потребители Н2
Потребители электроэнергии
- г. Петропавловск-Камчатский
- База ЧС
- Производство строительных материалов
- Электротранспорт
- Горнолыжная база
- Рыбоводный завод
- Переработка торфа
Рис. 4. Технологическая схема освоения тепловых ресурсов магматического очага Авачинского вулкана
30
Рис. 5. Технологическая схема электролитической волоролной станции. Модуль 60 м3/ч Н2, 500 кВт
бразность проекта при расчетном отпускном тарифе электроэнергии в сравнении с действующим в Центральном энергоузле Камчатского края [1].
Перспективные этапы и выпуск продукции Авачинской ГЭТК представлены в табл. 3.
31
влк.Корякская сопка
влк.Авачинская сопка
ф | г0Ра Купол Китхойское
Пиначевское
Дальнее
МутноеМ^^^ Авачинское Малое
Фировая- ысграяречка тундраИ Вцибэ^воР
^шычевское
Река Островная
Месторождения Ресурсы
Торф, тыс.т Песок, тыс.м3 Пемза, тыс.м3 ПГС, тыс.м3
1. Дальнее 433,4
2. Мутное-1 524,6
3. Малое 202,0
4. Быстрая Речка 78,0
и Цибэрово
5. Фировая тундра 205,0
6. Совхозное 9401,0
7. Река Островная 76,0
8. Озеро Напычево 162,0
8. Налычевское 17,0
9. Авачинское 3694,0
10. Налычевское 2454,0
11. Халактырское 4742,0
(Тьмагнетитовый песок)
12. Пиначевское 1743,0 176,0
Условные обозначения:
- месторождения торфа
- месторождения ПГС, песка ^ - месторождения пемзы
ф - проявление (Аи, А§, Хп, Си, РЬ)
| | - проявление перлитов
| г | - плейстоцен-голоценовые
вулканические образования
Рис. 6. Схема расположения месторождений и рудопроявлений в районе вулкана Авачинский, на основе [4]
Таблица 3
Этапы и выпуск продукции перспективного ГЭТК на базе тепловых ресурсов Авачинской геотермальной системы
Очередь Мощность ГеоЭС, МВт Тепловая мощность, Гкал/ч Товарная продукция А1, тыс. т Т1, Бе, млн т Нанопорошки №, Си, Ад), млн т
н2 о2
млн м3 тыс. т млн м3
1 200 860 210,2 18,9 105,1 167 13,5 1,8
2 300 1290 315,4 28,3 157,7 250 20,3 2,6
3 500 2150 525,6 47,2 262,8 417 33,8 4,4
ИТОГО: 1000 4300 1051,2 94,4 833 67,5 8,8
со
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пашкевич P.M., Трухин Ю.П. Перспективы промышленного освоения ресурсов близповерхностных магматических очагов Камчатки и Курильских островов // ГИАБ. ОВ 2 «Камчатка» (специальный выпуск) . — 2014. — С. 7-23.
2. Трухин Ю.П. Геохимия современных геотермальных процессов и перспективные геотехнологии. — М.: Наука, 2003. — 376 с.
3. Пашкевич P.M., Таскин В.В. Термогидродинамическое моделирование теплопереноса в породах Мутновской магмагеотермальной системы. — Владивосток: Дальнаука, 2009. — 209 с.
4. Литвинов А.Ф., Патока М.Г., Марковский Б.А. (гл. редакторы) Карта полезных ископаемых Камчатской области масштаба 1:500000. Краткая объяснительная записка. — Петропавловск-Камчатский: Изд-во СПб картфабрики ВСЕГЕИ, 1999. — 563 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
1Пашкевич Роман Мгнатьевич — доктор технических наук, директор, e-mail: pashkevich@kscnet.ru
1Трухин Юрий Петрович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, зав. лабораторией, e-mail: ytrukhin@yandex.ru
1Таскин Виталий Витальевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник
1Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук
UDC 621.311.25+621.311.1.003
PROSPECTS OF THE DEVELOPMENT OF GEOTHERMAL ENERGOTECHNOLOGICAL COMPLEXES OF INDUSTRIAL OBTAINING OF HYDROGEN, ORE AND CHEMICAL RAW MATERIALS IN KAMCHATKA
1Pashkevich R.I., Doctor of Sciences, Director, e-mail: pashkevich@kscnet.ru 1Trukhin Yu.P., Doctor of Sciences, Professor, Laboratory head, e-mail: ytrukhin@ yandex.ru
1Taskin V.V. Candidate of Sciences, Research Scientist
Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences
The prospects of geothermal energotechnological complexes in Kamchatka were considered. The technological schemes of resources integrated development of Mutnovsky and Avacha magmatogene geothermal systems for industrial obtaining of hydrogen, ore and chemical raw materials were developed. Technical and economic performance of projects complexes was presented.
Key words: geothermal energotechnological complexes, integrated development, hydrogen obtaining, technical and economic performance.
34
REFERENCES
1. Pashkevich R.I., Trukhin Yu.P. Perspektivy promyshlennogo osvoeniya resursov blizpoverhnostnyh magmaticheskih ochagov Kamchatki i Kurilskih ostrovov, GIAB, OV 2, «Kamchatka» (special issue), 2014, pp. 7-23.
2. Trukhin Yu.P. Geochemistry of contemporary geothermal processes and perspective geotechnologies (Геохимия современных геотермальных процессов и перспективные геотехнологии), M.: Nauka, 2003, 376 p.
3. Pashkevich R.I., Taskin V.V. Thermo-hydrodynamic modeling of heat transfer in the rocks of Mutnovsky magma geothermal system (Термогидродинамическое моделирование теплопереноса в породах Мутновской магмагеотермальной системы), Vladivostok: Dalnauka, 2009, 209 p.
4. Litvinov A.F., Patoka M.G., Markovskiy B.A. (gl. redaktory) Karta poleznyh iskopaemyh Kamchatskoy oblasti masshtaba 1:500 000. Kratkaya obyasnitelnaya zapiska, Petropavlovsk-Kamchatskiy: Izd-vo SPb kartfabriki VSEGEI, 1999, 563 p.
35
