ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

_ НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования, рекомендованные рабочей группой, охватывают следующие области: системы с преобладанием паровой фазы, систе­мы с преобладанием жидкой фазы, системы с аномально высоким дав­лением, системы термоэлектрического преобразования, системы с искусственно созданной трещиноватостью, а также вопросы экономи­ческой эффективности производства и создания демонстрационных установок.

Системы с преобладанием паровой фазы. Методы эксплуатации таких источников пара, как в, Лардерелло или в долине Больших Гей­зеров, хорошо разработаны. В таких системах сухой пар поступает непосредственно из месторождения и используется в качестве рабо­чего тела в турбине, приводящей в действие генератор. Возможность получения воды от такого рода системы весьма маловероятна.

Состав и количество неконденсирующихся газов. в таком паре весьма различны. Для максимального повышения к. п.д. электростан­ции, уменьшения коррозии оборудования, а также из соображений ох­раны окружающей среды необходимо удаление этих газов. Уже в те­чение некоторого времени ведутся работы по программе, осуществля­емой фирмой "Пасифик гэз энд электрик", с целью решения вопроса о сокращении выбросов в атмосферу сероводорода, и можно надеять­ся, что эти работы будут успешно завершены. На других месторожде­ниях остро стоит вопрос о борьбе с выбросами аммиака и других газов.

Твердые частицы, содержащиеся в паре, вызывают эрозию лопа­ток и клапанов турбины. С целью максимального снижения эрозии и сохранения рабочих характеристик тецлообменного оборудования же­лательно по возможности вывести твердые частицы из потока пара до его поступления в эксплуатационное оборудование.

Геотермальные электростанции характеризуются повышенным уровнем шума, который необходимо снизить, В настоящее время уда­лось значительно снизить шум при выпуске пара из скважин, в про­цессе сброса давления в системе сбора пара и в ходе общих опера­ций, осуществляемых на самой электростанции. Для решения пробле­мы борьбы с шумом разработана соответствующая технология.

Вместе с влажным паром в эксплуатационное оборудование мо­гут попасть растворенные соли. Кроме того, образующийся из сили­катов кремнезем может вызвать обрастание турбин и ухудшить их рабочие характеристики, уменьшить расход пара в трубопроводе.

25 Зак. 14650

Борсодержащие соединения могут сократить срок службы оборудова­ния. В связи с этим следует провести изучение способов предотвра­щения попадания в оборудование растворенных солей.

Системы с преобладанием жидкой фазы. Такие месторождения производят горячие жидкости (в основном воду), в которых могут быть растворены различные соли. В этом случае тецло для производ­ства электроэнергии получают либо превращением жидкости в пар, либо передачей его вторичному теплоносителю. Возможно также по­лучение пресной воды путем конденсации и сбора пара. Кроме того, горячая вода может быть использована для теплофикации, как это делается в Исландии, и для производства минерального сырья. Иног­да удается - организовать многоцелевое производство, что может ока­заться более выгодным с экономической точки зрения, чем использо - зание месторождения лишь с какой-то одной целью.

Как и в месторождениях с преобладанием пара, в этих системах • также встает проблема неконденсирующихся газов. При этом разли­чия между двумя типами систем носят количественный характер, ос­новные же методы удаления и выброса газов практически одинаковы.

Проблема снижения уровня шума в случае месторождений с пре­обладанием жидкой фазы осложняется тем, что при вскипании жид­кости на выходе из скважины образуется двухфазная смесь. В свя­зи с этим приходится рассеивать большее количество энергии, а сле­довательно, использовать более крупные и дорогостоящие устройст­ва по сравнению с теми, которые устанавливают в паровых скважи­нах. Для решения этой проблемы требуется создание лучших глу­шителей.

Геотермальная жидкость часто содержит большое количество растворенных солей. При частичном превращении жидкости в пар эти соли остаются в жидкой фазе, которая таким образом становит­ся пересыщенным раствором, из которого происходит, выпадение со­лей в осадок.

Для сбора информации, необходимой для проектирования экс­плуатационного оборудования, потребуется определение типов и кон­центраций растворенных солей для различных месторождений. Вы­падение этих солей в осадок создает серьезную проблему загрязне - . ния оборудования. Кроме того, они могут образовывать пробки, за­купоривающие подводящие флюид трещины в породе, если переход в паровую фазу происходит под землей.

В некоторых районах, содержащих концентрированные раство­ры, потребуется закачка жидкости в недра. Жидкость, используемая для закачки, должна быть соответствующим образом обработана

Чтобы быть совместимой с раствором, содержащимся в толще пород. Для этой обработки потребуется создание специального оборудования.

Чтобы избежать вредного влияния на окружающую среду, возмож­но, придется отказаться от закачки в недра геотермальной системы добываемого концентрированного раствора и конденсата пара. Воз­можно потребуется создание другой схемы их удаления, которая не была бы слишком сложной и не создавала бы угрозу окружающей среде.

Осадки и отсепарированные от геотермальной жидкости твердые частицы могут содержать полезные минералы. Однако большая часть полученных таким образом минералов не представляет промышлен­ной ценности и должна просто удаляться из раствора. Возможным решением этой проблемы является захоронение, промывка и закачка, в недра; однако этот вопрос требует Исследования.

Применение энергетических ЦИКЛОВ с вторичным теплоносителем позволило бы иметь изолированное рабочее тело с заданными харак­теристиками, выбранными для оборудования, давления и температур данного цикла преобразования энергии. В такой схеме потребовался бы теплообменник для передачи тецла геотермальной жидкости вто­ричному теплоносителю. В связи с этим необходимы исследования термодинамических: свойств различных подходящих рабочих жидкостей.

Как показывают тщательный инженерно-экономический анализ и предварительные конструктивные проработки, потребуется подо­брать характеристики рабочей жидкости, (возможно, даже химически синтезировать новую жидкость) в соответствии с требованиями экс­плуатационной системы.

Размеры и мощности турбин, по-видимому, увеличатся, однако фирмы-производители в состоянии провести необходимые исследова­ния и разработки. В прошлом это имело место по мере появления рынка сбыта.

Понадобится дополнительное исследование специальных проб­лем выхода из строя тецлообменного оборудования под действием концентрированной геотермальной жидкости. Как и в случае турбин, фирмы-производители этого оборудования всегда проводят такие исследования за счет своих фондов.

Как статические, так и кинетические физико-химические свой­ства концентрированных геотермальных растворов являются основой для проектирования эксплуатационного оборудования. Применитель­но к геотермальным растворам, получаемым из фонтанирующих сква­жин с последующим концентрированием в них солей в результате вы­паривания жидкости в испарительной установке, требуется изучение химической кинетики концентрированных геотермальных растворов.

Можно ожидать, что в некоторых случаях разработка геотермаль­ного месторождения может оказаться экономически более выгодной, если горячая геотермальная жидкость будет использоваться не толь­ко для выработки электроэнергии, но и для других целей. Необходи­мо тщательное изучение смежных проблем при многоцелевой разра­ботке месторождения для производства электроэнергии, получения пресной воды, минерального сырья и технологического тецла. Тре­буется разработать, спроектировать и построить опытные установки для получения пресной воды из геотермальных жидкостей.

Извлечение геотермального тецла путем закачки в толщу пород не воды, а какой-либо другой жидкости технически вполне осущест­вимо. Если эта жидкость не смешивается с геотермальным раство­ром, то путем механической сепарации на поверхности получается чистая горячая рабочая жидкость и не требуется тецлообменное обо­рудование.

Вследствие сильного коррозионного действия геотермальных жидкостей на оборудование необходимо исследовать ряд сцлавов, спо­собных в большей или меньшей степени выдерживать это воздейст­вие. Для этой цели требуется информация о скоростях коррозии и рос­та отложений на конструкционных материалах для турбин, теплооб­менников, трубопроводов, клапанов и других компонентов электро­станции.

По мере разработки новых геотермальных месторождений будет расширяться использование геотермальной энергии для теплофика­ции и охлаждения. Из-за трудностей доставки такого низкотемпера - • турного тецла в этом случае большое значение приобретает близость потребителя к источнику. Методы использования горячей воды для обогрета и охлаждения помещений применяются уже в течение ряда лет, и дополнительных исследований не требуется.

Системы с аномально высоким давлением. Значительная часть существующих, а также разрабатываемых для применения в системах с преобладанием жидкой фазы методов непосредственно пригодна и для систем с анамально высоким давлением.

В настоящее время известна технология нагнетания больших ко­личеств воды до давлений 24 — 27,6 МПа для котлов, работающих в сверхкритическом режиме на паротурбинных электростанциях на ископаемом тоцливе. Эта технология может быть применена для раз­работки водяной турбины высокого давления, которая получала бы энергию давления от геотермальной жидкости, находящейся под ано­мально высоким давлением, и сбрасывала бы жидкость при таких

Давлениях и температурах, что ее тепловая энергия могла бы извле­каться, как из жидкости, поступающей из месторождений с преобла­данием жидкой фазы. Необходимо создать опытную установку, и этот вопрос обсуждается ниже.

Геотермальные растворы, находящиеся под аномально высоким давлением, как правило, насыщены метаном. При встречающихся тем­пературах и давлениях раствор может содержать довольно значитель­ные количества метана. Это может служить дополнительным стиму­лом для разработки месторождений такого типа. Необходимо иссле­довать методы извлечения метана из геотермальных расстворов.

Системы термоэлектрического) преобразования. Необходимо ио следовать термоэлектрическое преобразование и другие методы пря­мого преобразования тепловой энергии в электрическую (минуя тур­бины) на основе геотермальных ресурсов. Возможно даже необязатель­но производить электроэнергию непосредственно, а более целесообраз­но использовать тецло для производства таких химических веществ, как водород, которые затем можно использовать для генерирования электроэнергии. Следует изучить все возможные методы непосредст­венного использования геотермальных ресурсов, чтобы избежать не­которых из упомянутых выше проблем. Причем теоретическое обосно­вание любого подхода должно предшествовать долгосрочным програм­мам исследований.

Системы с искусственно созданной трещиновато стью. Системы, создан­ные с помощью гидравлического разрыва с возможным последую­щим увеличением трещиноватости благодаря тепловому растрескива­нию в процессе добычи, по-видимому, не создают особых проблем в связи с эксплуатацией месторождения в дополнение к рассматривае­мым выше при условии, что закачиваемая вода является теплоноси­телем. Поэтому никаких специальных исследований по этим систе­мам, очевидно, не потребуется.

При создании трещинной системы с помощью ядерных взрывов в. толще пород образуются радиоактивные вещества. Следует идентифи­цировать эти вещества и разработать способы предотвращения появ­ления их на поверхности.

Вопросы экономической эффективности. Современные запасы топлива для производства электроэнергии весьма ограничены и будут продолжать истощаться. Такие дополнительные источники энергии, как геотермальная энергия, которые в настоящее время весьма же­лательны, в ближайшем будущем могут стать необходимыми для нор­мального социального и экономического развития страны. С этой точ­ки зрения вопросы экономической эффективности получения элек­троэнергии из этого источника, возможно, менее важны, чем его на - дичие.

При непосредственном рассмотрении экономической эффективнос­ти геотермального производства электроэнергии отсутствие опреде­ляющих стоимость данных делает прямой расчет стоимости невозмож­ным. Поэтому рабочая группа подошла к проблеме с точки зрения то­го, какой должна быть стоимость геотермальной системы, чтобы производимая электроэнергия была конкурентоспособной с электро­энергией, получаемой другими новыми методами.

В течение оставшейся части столетия из обычных способов производства энергии самым дешевым, по-видимому, будет произ­водство электроэнергии на атомных электростанциях. Если извест­ную часть стоимости для геотермальной электростанции сравнить с об­щей стоимостью производства энергии атомной станцией, получен­ная разшща составит наизвестные компоненты стоимости производ­ства геотермальной электроэнергии. Сюда относятся разведка гео­термального месторождения, его разработка и организация добычи, стоимость испарительного оборудования, удаления твердых частиц, оборудования по снижению уровня шума, удаление отработанных жидкостей, мер по охране окружающей среды и т. д.

Используя такой метод расчета, рабочая группа получила пред­варительную оценку необходимых затрат на эти неизвестные компо­ненты геотермальной системы. Они составили 200 додл,/кВт в рас­чете на 1980 г. и 250 дрдл,/кВт на 2000г.

Требуется установить соотношение между энергетическими цик­лами и типами месторождений. Очень важно провести моделирование систем и осуществить аналитические исследования для согласова­ния этих элементов. Требуется также сравнить технико-экономичес­кие показатели.

Опытные станции. Как правило, прежде все необходимые иссле­дования и разработки по созданию современного энергетического оборудования осуществлялись фирмами-производителями электро­энергии, которые затем и использовали-это оборудование.

Предполагается, что фирмы-производители продолжат эту тра­дицию и внесут необходимые капиталовложения в разработку нового оборудования, а фирмы-потребители возьмут на себя'финансирова­ние опытных станций. Единственным исключением явится финанси­рование опытной опреснительной станции, рассмотренной выше. Эта исключительность является результатом традиционной роли феде­рального правительства в деле водоснабжения.

В настоящий момент трудно предсказать с большой точностью ЧИСЛО и мощность опытных станций, которые придется построить. Однако для расчетов принимается, что понадобится семь опытных станций мощностью по 10 МВт; две станции, использующие горячую воду, с испарителями, работающие при разных условиях; две станции, использующие горячую воду, с вторичным теплоносителем; одна стан­ция, работающая на концентрированном геотермальном растворе; одна станция — на месторождении с геостатическим давлением; одна станция для проверки еще не известной новой системы.

На каждой геотермальной площадке должна быть оборудована испытательная лаборатория. Это позволит организовать проверку но­вого оборудования в течение 1-2 лет в полевых условиях по мере его разработки, исключая потребность в строительстве каждой но­вой станции.

Весьма вероятно, что по мере расширения наших знаний о дина­мике геотермальных месторождений возникнет оптимальная страте­гия их разработки, которая позволит максимально повышать продук­тивность месторождения с расширением рынка сбыта. Наиболее эф­фективной должна оказаться полностью автоматизированная система.