Источники геотермальной энергии можно разделить на пять типов.
1. Источники геотермального сухого пара. Они довольно редки, но наиболее удобны для строительства ГеоТЭС.
2. Источники влажного пара. Эти источники встречаются чаще, но их освоение связано с рядом проблем.
3. Источники геотермальной воды. Представляют собой геотермальные резервуары, которые образуются при наполнении подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близлежащей магмой.
4. Сухие горячие скальные породы на глубине двух и более километров, которые разогреты магмой.
5. Магма, которая представляет собой расплавленные горные породы с температурой 1300 °C.
Масштаб использования геотермальной энергии во многом определяется капитальными затратами на сооружение скважин. Их стоимость экспоненциально увеличивается с ростом глубины. Так как температура увеличивается с глубиной, а выработка энергии увеличивается с температурой, то в большинстве случаев оптимальная глубина скважины составляет около 5 км. Геотермальные энергетические установки обычно имеют мощность более 100 МВт.
Общее количество тепла, извлекаемого из геотермальной скважины можно увеличить, если повторно закачивать отработанную воду. Это также дает возможность избавиться от сбросных вод, которые могут быть сильно минерализованными и представляют опасность для окружающей среды. В то же время это приводит к увеличению стоимости ГеоТЭС.
Наиболее экономичные ГеоТЭС имеют скважины, пробуренные в естественные подземные источники геотермальных районов (рис. 4.1).
Такие скважины используются в долине Гейзеров (Калифорния) и в месторождении Вайракен (Новая Зеландия), где в скважинах существует значительное давление.
Рис. 4.1. Схема размещения гидротермальных станций в гипертермальном районе (геотермальное поле Гейзеры, Калифорния): 1 – естественный гейзер, 2 – энергетическая станция; 3 – глубокая сквжина (5 км); 4 – пароводяной источник (~250 °C); 5 – мантия; 6 – горячие скальные породы
Подобные скважины применяют также для извлечения энергии из источников геотермальных вод, где высокое давление и можно обойтись без насосов.
Ведутся работы направленные на извлечение тепла из сухих горных пород. Они могут обеспечить бóльшее количество тепла по сравнению с геотермальными водами. В США разработаны методы дробления скал гидровзрывом с помощью холодной воды, которая нагнетается под давлением в скважину (рис. 4.2). После предварительного дробления пород вода подается через нагнетающую скважину и фильтруется на глубине 5…7 км через скальные породы с температурой ~250 °C. Нагретая вода возвращается на поверхность через водозаборную скважину. Две такие скважины могут обеспечить тепловой энергией установку мощностью порядка гигаватта [2]
Рис. 4.2. Схема извлечения тепла из сухих горных пород
Технически доступными являются запасы геотермальной энергии на глубине 10 км в пределах суши. Геотермальные ресурсы пригодные для использования составляют примерно 137 трлн. т у.т. Но основной частью этой энергии является энергия горячих горных пород. На природный пар и воду приходится только сотая часть геотермальных ресурсов – 1,4 трлн. т у.т. Геотермальная энергия может быть использована для выработки электроэнергии и теплоснабжения.
Использование геотермальных источников для выработки
Электроэнергии
Превращение геотермальной энергии в электрическую осуществляется на основе использования машинного способа с помощью термодинамического цикла на ГеоТЭС.
Для строительства ГеоТЭС наиболее благоприятными являются месторождения с сухим паром, но их очень мало. Обычно ГеоТЭС базируются на месторождениях пароводяной смеси со средней степенью сухости 0,2…0,5. При использовании на ГеоТЭС влажного пара возникает ряд проблем. Капельки воды разрушают лопатки турбины. Кроме того, геотермальная вода содержит корродирующие соли. Поэтому пароводяную смесь необходимо разделить на сухой пар и воду. Эту операцию проводят с помощью центробежного сепаратора. На ГеоТЭС с бинарным циклом для получения электроэнергии можно использовать горячую воду. Различные схемы ГеоТЭС представлены на рис 4.3.
Рис. 4.3. Схемы геотермальных электростанций: а – паротурбинная с выхлопом в атмосферу; б – паротурбинная конденсационная; в – с промежуточным теплоносителем; г – с бинарным циклом: 1 – источник; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – конденсатор; 5 – парогенератор; 6 – насос; 7 – конденсатор испаритель
Наиболее простой и доступной является геотермальная электростанция с выхлопом в атмосферу (рис 4.3, а). Пар из скважины подается в турбину, а отработанный пар выбрасывается в атмосферу или устройство, улавливающее ценные химические вещества. ГеоТЭС работает без конденсаторов, поэтому капитальные и эксплуатационные затраты будут минимальными. Такие ГеоТЭС выгодно строить в тех районах, где есть достаточные запасы природного пара.
Более современной является конденсационная ГеоТЭС (рис. 4.3, б). Пар из скважины поступает в турбину, а отработанный пар направляется в конденсатор. Конденсат собирается в специальной емкости. Из нее часть конденсата циркуляционными насосами направляется на охлаждение в градирню. Охлажденная вода снова поступает в конденсатор для конденсации отработанного пара. Так как количество конденсата постоянно увеличивается, его избыток сбрасывают в водоем или заканчивается в пласт земли.
Если природный пар имеет высокую температуру и большое содержание газов, можно использовать схему ГеоТЭС с промежуточным теплоносителем (рис. 4.3, в). Пар из скважины поступает в парогенератор, где отдает тепло вторичному теплоносителю, после чего чистый вторичный пар направляется в конденсационную турбину. Газы, содержащиеся в природном паре, отделяются в парогенераторе и выбрасываются в атмосферу. Недостатком такой схемы является снижение параметров пара перед турбиной. Но, по сравнению с конденсационной ГеоТЭС, удельный расход пара на 30 % меньше.
Для использования тепла термальных вод с температурой 100…200 °C, а также тепла отсепарированной воды строят двухконтурные ГеоТЭС на рабочих телах с низкой температурой кипения (изобутан, фреон и др.) Схема ГеоТЭС аналогична рис 4.3, в. Только в первом контуре циркулирует вода, а во втором – рабочее тело с низкой температурой кипения.
В геотермальной энергетике возможно применение бинарных циклов (рис. 4.3, г). Первая турбина работает на природном паре, а вторая на паре рабочего тела с низкой температурой кипения. Процесс парообразования рабочего тела происходит в конденсаторе-испарителе за счет тепла обработанного водяного пара [3].
Геотермальная энергия является важнейшей из нетрадиционных возобновляемых источников энергии, который в настоящее время конкурентоспособен. Установленная мощность ГеоТЭС в мире за последние 30 лет ежегодно увеличивалась в среднем на 8,6 % и достигла к 2001 г. 8000 МВт. В США – 2228 МВт, Мексике – 755 МВт, Италии – 785 МВт, Индонезии – 589 МВт. В настоящее время в мире строятся ГеоТЭС общей мощностью 11,5 тыс. МВт. Причем геотермальная установка мощностью 1 МВт позволяет сэкономить в год до 3 тыс. т у.т.