English Телефон/факс:
7 (4852) 32-88-85
Печать

Инновационные технологии
использования возобновляемых источников энергии
и гидроминерального сырья на территории Ярославской области


Кудрявцев Е.П., Калинин М.И., Пастухов В.Ю.

В современной мировой экономике наметились новые тенденции: стремление к энергетической независимости и безопасности отдельных стран, меньшая зависимость от экспорта, жесткая экономия энергоресурсов и ограничение потребления углеводородов в целом. Будущая экономика России также призвана стать менее зависимой от цен на углеводородное сырье, а регионы должны осваивать собственные энергоресурсы, в том числе возобновляемые источники энергии, опираться на новейшие технологии и разработки в энергетике и недропользовании. Из всех известных возобновляемых источников энергии необходимо отметить преимущества геотермальной энергии. Этот вид энергии, получаемый из тепла, генерируемого в коре Земли, занимает все большее место в стратегии энерговооруженности ряда зарубежных стран ввиду высоких потенциальных возможностей использования геотермальной энергии: практической неисчерпаемости, возможности постоянного круглогодичного использования, распространенности ресурсов, способности замещения значительных объемов традиционных энергоносителей (уголь, нефть, газ и др.).

В настоящее время экономика Ярославской области характеризуется повышенной энергоемкостью по сравнению со средними показателями Российской Федерации. Причинами такого положения, кроме природно-климатических условий, является сформировавшаяся в течение длительного периода времени структура экономики области. При имеющих место в последние годы тенденциях к повышению эффективности использования энергии и других видов ресурсов, превалирует необходимость кардинально повысить эффективность потребления энергии как фактора, определяющего конкурентоспособность региона.

Длительное время специалисты ОАО «НПЦ «Недра» занимаются изучением мирового опыта, проектированием и теоретическими разработками геотермальных технологий использования приповерхностного геотермального тепла, геотермальными циркуляционными системами, комплексным использованием гидрогеотермальных энергетических и минерально-сырьевых ресурсов, в том числе с использованием существующего фонда скважин. Что обусловлено их применимостью в геолого-экономических условиях большинства регионов России.

С учетом сопоставимости инвестиций в строительство и конкурентоспособности по отношению к источникам энергии, работающим на органическом топливе, для Центральных регионов России ОАО "НПЦ "Недра" предлагаются источники получения альтернативной геотермальной энергии. Они основаны на использовании тепла приповерхностного грунта (до глубины 100 – 200 м.) и глубинных геотермальных рассолов. Эти технологии уже совершили прорыв в мировой геотермальной энергетике и с успехом могут применяться в условиях Ярославской области.

Перспективные возобновляемые приповерхностные геотермальные ресурсы (даже если ограничиться глубиной 100м) оцениваются в 2,0 – 2,5 млн. т у. т. в год, что составляет не менее 30 – 40% всей ежегодной теплопотребности области.

При глубине бурения скважин для сбора тепла до 100 – 200 м, используется низкопотенциальная тепловая энергия грунта, с обязательным условием подъема температурного потенциала низкопотенциального тепла, извлекаемого с помощью мелких скважинных теплообменников и тепловых насосов (рис. 2). Технология к настоящему времени доведена до кондиции, обеспечивающей полную компенсацию потерь первичной энергии, потребляемой на производство электроэнергии для привода теплового насоса топливно-энергетических ресурсов – ТЭР. 1 кВт-ч электроэнергии в сочетании с теплом грунта преобразуется в 3,5-4 кВт-ч тепла.

Коэффициент использования первичных энергоносителей (КИПЭ)


Рис. 1. Коэффициент использования первичных энергоносителей (КИПЭ)
КПД э – к.п.д. выработки электроэнергии для привода ТН; КПТН – коэффициент преобразования ТН; индексы: Т – традиционные котельные, Г – геотермальные котельные

С развитием теплонасосной техники, позволяющей трансформировать низкопотенциальное тепло до уровня потребления объектами различного назначения, во многих странах приповерхностные геотермальные ресурсы признаны эффективными для широкого применения.

Технологическая схема, обеспечивающая использование тепла грунта совместно с тепловыми выбросами вентиляции и возможностью подключения солнечного коллектора, показана на примере энергоснабжения коттеджа (рис. 2). Подключение контура охлаждения, напрямую от скважин, условно не показано – в качестве распределительной сети для охлаждения используется та же разводка трубок системы отопления внутри пола (теплый пол).

Технология с помощью мелких скважинных теплообменников и тепловых насосов позволяет преобразовать низкопотенциальное тепло грунта до температурного уровня, необходимого потребителю, включая жилой сектор. Различные варианты использования технологии позволяют обеспечить нагрузки отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, технологического холодоснабжения и горячего водоснабжения потребителей и могут сопровождаться сезонным аккумулированием теплоты и холода в системе скважинных теплообменников.

Опыт развития первых подобных проектов в отечественной практике положительно оценивается и имеет тенденцию к достаточно быстрому росту. Первая в России сельская школа, оборудованная экспериментальной теплонасосной системой теплоснабжения, использующая низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли была введена в эксплуатацию в сентябре 1998 г. в деревне Филиппово Любимского района Ярославской области. В настоящее время только в Центральном ФО работает более десятка фирм, занимающихся проектированием, изготовлением тепловых насосов, монтажом теплонасосных систем в зданиях различного назначения. В их числе наши Ярославские фирмы.

Схема энергоснабжения коттеджа с использованием тепла грунта и тепловых выбросов вентиляции
Рис. 2. Схема энергоснабжения коттеджа с использованием тепла грунта и тепловых выбросов вентиляции (режим отопления 45/30°С, после отопительного сезона скважины используются на охлаждение помещений).

Энергию приповерхностного грунта активно используют в Западной Европе и Северной Америке, где работает свыше одного миллиона геотермальных установок. Стоит отметить, что технологии строительства пассивных (или энергоэффективных) домов с использованием геотермальной энергии успешно прижились и в тех странах, климат которых сходен с российским: Норвегия, Швеция, Финляндия.

По заключению наших специалистов, перспективные гидрогеотермальные ресурсы территории Ярославской области, представленные в виде геотермальных рассолов на глубине залегания до 2100 м, составляют - 6,97 млрд. т у. т., что соответствует ресурсообеспеченности в сотни лет.

Для снижения инвестиций в строительство, применяя разработанные в последнее время технологии, предлагается комплексное использование геотермальных рассолов в тепловых схемах электростанций и котельных: при подготовке воды для системы горячего водоснабжения, восполнения утечек, в качестве химических реагентов в установках водоподготовки. Одновременно с этим, в одной технологической схеме, геотермальные рассолы могут являться сырьем для получения химической и редкометальной продукции, минеральных удобрений, строительных материалов, применяться в качестве противогололедных материалов при поливке автодорог.

В качестве примера, предлагаются три варианта гибридных схем комплексного извлечения гидрогеотермальных энергетических и минеральных сырьевых ресурсов (патент на полезную модель № 110826 «Устройство комплексного использования гидротермальных (или вторичных) энергетических и минерально-сырьевых ресурсов, патентообладатель ОАО «НПЦ «Недра»). Где тепло геотермального источника используется максимально (без выбросов в атмосферу или в сточные воды) и достигается почти полная переработка минерально-сырьевых ресурсов, компенсация снижения температуры геотермального источника, гибкое регулирование.

  1. С водогрейными котлами или сетевой водой от внешнего источника (рис.3).
  2. С паровыми котлами или паром от внешнего источника.
  3. С газопоршневыми генераторами или генераторами на микротурбине.


Разработанные схемы комплексного использования гидрогеотермальных энергоресурсов имеют более высокий коэффициент полезного действия за счет совместного использования комбинации термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания и органического цикла Ренкина, прямого и обратного циклов абсорбционных преобразователей теплоты по сравнению с их раздельным использованием. На рис.3 представлена принципиальная схема с водогрейными котлами.


Устройство комплексного использования гидротермальных (или вторичных) энергетических и минерально-сырьевых ресурсов с водогрейными котлами или сетевой водой от внешнего источника


Рис.3. Устройство комплексного использования гидротермальных (или вторичных) энергетических и минерально-сырьевых ресурсов с водогрейными котлами или сетевой водой от внешнего источника (вариант 1).
1 – скважина эксплуатационная; 2 – насос погружной; 3 – грязевик; 4 – сепаратор газа; 5 – смеситель газа; 6 – теплообменник-дистиллятор; 7 – насос закачки в пласт; 8 – скважина нагнетательная; 9 – насос перекачки концентрата; 10 – конденсатор абсорбционный; 11 – бак аккумулятор дистиллята; 12 – станция ГВС и подпитки теплосети; 13 – фильтр; 14 – регулятор давления; 15 – теплообменник сетевой установки; 16 – станция насосная теплосети; 17 – регулятор температуры; 18 – станция насосная котельной; 19 – котёл водогрейный; 20 – насос низкокипящего теплоносителя; 21 – турбогенератор; 22 – теплообменник-испаритель; 23 – насос системы охлаждения турбогенератора; 24 –теплообменник системы охлаждения турбогенератора; 25 – теплообменник догрева рассола.

Две другие схемы аналогичны приведенной схеме, но вместо водогрейного котла применяется паровой котел, газопоршневой электрогенератор или микротурбина в зависимости от требований потребителей энергии.

Разработка технологических схем является подготовительным этапом для последующего проектирования и строительства Гео-ТЭС на основе использования гидрогеотермальных энергетических и минеральных сырьевых ресурсов в различных регионах России с производством от 0,25 до 5 МВт и более электроэнергии, тепловой энергии, воды для горячего водоснабжения в одном комплексе с предприятием по переработке минерального сырья. С достижением себестоимости электроэнергии и тепловой энергии, конкурентоспособной по отношению к традиционным источникам, при отсутствии или значительном сокращении тепловых и других вредных выбросов в атмосферу и канализационных стоков.

Комплексное использование теплоэнергетических и минеральных сырьевых ресурсов по предлагаемым вариантам характеризуется тем, что:

  • производится совместная выработка электрической и тепловой энергии c применением гибридных схем с использованием органического топлива и собственно теплоэнергетических глубинных пластовых вод (геотермальных рассолов) с температурой до 100°С, с гибким регулированием их соотношения в зависимости от местных потребностей и времени года;
  • тепло рабочего тела после турбогенератора или другой расширительной машины не отводится в атмосферу или в сточные воды, а используется для теплоснабжения потребителей;
  • производится выработка дистиллята для подпитки тепловых сетей и горячего водоснабжения из геотермальных рассолов, вод нерентабельных или выработанных нефтяных или газовых месторождений;
  • в используемом оборудовании исключается засорение труб или каналов поверхностей теплообмена;
  • за счет регулирования догрева геотермального рассола (или других используемых сред), возможно их применение при сравнительно низких начальных температурах;
  • производится переработка попутно получаемого минерального сырья.


Использование геотермальной (возобновляемой) энергии в предлагаемых гибридных технологических схемах позволяет значительно снизить использование невозобновляемых органических источников энергии: газ, уголь, нефть, не причиняя при этом вреда окружающей природной среде.

В ходе геологоразведочных изысканий на нефть и газ в Ярославской области в разное время были проведены буровые работы по нескольким десяткам скважин глубиной около 3000-3500 м. Значительная часть скважин сгруппирована в Даниловском, Любимском, Гаврилов-Ямском и Рыбинском районах. После проведения восстановительных и ремонтных работ, возможно частичное их использование для вышеуказанных целей. Согласно оценкам экспертов до 40 % затрат при создании предприятия по переработке гидроминерального сырья и геотермальной станции (Гео-ТЭС) уходят на бурение скважин. Включение в хозяйственный оборот существующих неиспользуемых государственных основных материальных фондов (глубоких скважин) нераспределенного фонда недр РФ, открывает возможность последующей реализации скважин на конкурсной основе для создания малых и средних предприятий, экономического развития региона, пополнения федерального и регионального бюджетов.

Считаем, что предложенные технологии и схемы использования имеющихся геотермальных ресурсов будут в ближайшей перспективе способствовать успешному развитию экономики Ярославской области и решению социальных проблем возникающих в связи с ростом цен на традиционные органические источники энергии при одновременном повышении комфорта строящегося жилья. Применяемые технологии будут способствовать ориентации топливно-энергетического баланса региона на использование возобновляемых источников энергии из окружающей природной среды, соответствующее сокращение использования органического топлива в первую очередь для объектов ЖКХ, снижению экологической нагрузки при возрастающем энергопотреблении.

Учитывая значение для экономического, научно-технического и социального развития области вышеизложенного, предлагаем разработать целевую региональную программу по использованию геотермальных энергетических и гидроминеральных сырьевых ресурсов.

Целевая программа должна быть органично связана с возможностями выпуска оборудования создаваемого на территории области энергетического кластера и потребностями в минеральном сырье фармацевтического кластера, других отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Примерное краткое содержание программы, которое должно быть дополнено предложениями на основе научно-технических разработок специалистов, опыта эксплуатации предприятий по использованию геотермальной энергии, первоочередных потребностей экономики региона.

По созданию демонстрационных проектов:

  1. Энергоэффективный жилой дом на одну семью с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для строительства в Ярославской области.
  2. Замена неэффективных отопительных муниципальных котельных на различных традиционных энергоносителях геотермальными теплонасосными системами на основе совершенствования технологии использования энергоресурсов приповерхностного (до глубины 100-200 м) грунта и других видов геотермальных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.
  3. Создание в области сети Гео-ТЭС с комплексным использованием энергетических и минеральных сырьевых ресурсов теплоэнергетических и промышленных подземных вод для получения тепловой и электрической энергии, воды для горячего водоснабжения, химической и редкометальной продукции, минеральных удобрений, строительных материалов, противогололедных материалов для автодорог.


По НИОКР:

  1. Региональная оценка энергоресурсов приповерхностного грунта применительно к выбору наиболее инвестиционно привлекательных для геотермальных проектов участков территории.
  2. Разработка методики оптимизации систем сбора тепла приповерхностного грунта с мелкими (до 100-200 м) скважинами с вариантами их совместного использования с другими возобновляемыми источниками энергии.
  3. Разработка принципиальных технологических схем и технико-экономическая оценка комплексного использования теплоэнергетических глубинных пластовых вод (высокоминерализованных подземных вод - геотермальных рассолов ) для получения тепло- и электроэнергии, воды для горячего водоснабжения и минерального сырья.


Предлагаем также выполнить корректировку топливно-энергетического баланса Ярославской области, с учетом нарастающего замещение традиционно используемых видов топлива геотермальными энергоресурсами и другими возобновляемыми источниками энергии.

Содержание ДВЯ N12, 2012/N1, 2013 год