ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Оценки предельных запасов геотермальной энергии

Оценки геотермальных ресурсов США и вклада от их использова­ния в общие потребности страны в энергии отличаются более чем в тысячу раз. Например, расчеты, выполненные на основании сделан­ных Уайтом [35] оценок, показывают, что по крайней мере в течение ближайших 50 лет при существующих экономических условиях и со­временном уровне техники можно вырабатывать 5-10 тыс. МВт электрической мощности.

Согласно оценкам, приведенным в работе [36], к 1985 г. мощ­ность ГеоТЭС США, главным образом в шт. Калифорния и Невада, может возрасти до 7-19 тыс. МВт.

В докладе сенатской комиссии по топливным и энергетическим ресурсам в июне 1972 г. Рекс [37] указал, что при успешном выпол­нении расширенной правительственной программы мощность ГеоТЭС в западных штатах может возрасти в ближайшие 2U лег до 400 тыс. МВт.

Значительные отличия в оценках геотермальных ресурсов отра­жают влияние множества факторов, в том числе различных допуще­ний относительно развития техники и уровня цен, а также целевого назначения оценок и неоднозначного истолкования понятий "ресурсы" и "запасы", однако основная причина расхождения заключается в от­сутствии фактических данных о самих ресурсах.

Умеренные оценки геотермальных ресурсов и запасов приведе­ны на фиг. 1.4 и составлены на основании приведенных в работе [38] данных. Запасы и ресурсы следует отличать от полных запасов, ко­торые определяются Шурром и Нетшертом [39], как все количество данного материала, содержащегося в земной коре, независимо от того, известно или неизвестно о его существовании, и независимо от стоимостных показателей.

Полные запасы геотермальных ресурсов определяются rs работе [39], как вся теплота земной коры при температурах выше средней температуры поверхности (~Л5°С). Согласно оценкам Уайта, количе­ство этого тепла до глубины 10 км составляет '-'ІО27 Дж, что в 2000 раз превышает мировые запасы угля. Оценки Гросслинга коли­чества тепла, заключенного в земной коре на территории США в поро­дах до глубины 10 км и в подземной воде, содержащейся в трещинах и порах осадочных пород депрессий, дают 1025 Дж [40]. Однако лишь очень малая часть полных запасов геотермального тепла мо­жет рассматриваться как ресурсы.

Извлечение всего содержащегося в земной коре тепла не только экономически неоправданно, но может привести к таким нежелатель­ным последствиям, как оседание земной поверхности и землетрясе­ния, связанным с возникновением термических напряжений. Какую часть полных запасов геотермальной энергии можно рассматривать в виде ресурсов, зависит от ряда факторов, таких, как глубина из­влечения, предполагаемое распределение температур до этой глубины, эффективная пористость, удельная производительность месторожде­ния и проницаемость его пород, физическое состояние теплоносите­ля (вода или пар), уровень техники, экономичность различных видов

Использования и политика правительства в области исследований, освоения, аренды, защиты окружающей среды и т. д. Допущения, ка­сающиеся оценки технических возможностей, экономики и правитель­ственной политики, являются основной причиной больших отличий в опубликованных оценках геотермальных ресурсов.

Установленные промышленные геотермальные ресурсы в США (за исключением расположенных в Национальных парках) оцениваются на фиг. 1.4 в 1019 Дж на основе приведенной в работе [8] оценки содер­жания их в земле 6 • 1019 Дж, включая измеренные и оцененные ресур­сы. Эта оценка учитывает месторождения с преобладанием пара в До­лине Больших Гейзеров, а также несколько месторождений высоко­температурных горячих вод, расположенных в западных районах США-

Так как при современном уровне техники можно извлечь только 15% тепла, то на фиг. 1.4 полные промышленные запасы оцениваются в 1019 Дж. Этого тепла достаточно для выработки 1000 МВт электри­ческой энергии в течение ближайших 50 лет при к. п. д. преобразова­ния энергии 14%. В отличие от этого, согласно оценкам Рекса [37], только запасы месторождений с преобладанием пара в Долине Боль­ших Гейзеров могут обеспечить выработку 1000 МВт в течение 100 лег.

Неразведанные промышленные геотермальные ресурсы (стои­мость извлечения энергии из которых соизмерима со стоимостью обычных видов энергии) оценены на фиг. 1.4 в (6-12) • 1019 Дж на устье скважины. Это количество тепла получено на основе оценки Уайта [35] промышленных геотермальных ресурсов США на глубине до 3 км, которые используются в виде электрической энергии (в пред­положении, что 1% всего этого тепла при температуре месторожде­ния превращается в электрическую энергию). Такого количества гео­термальных ресурсов достаточно для производства 3000-6000 МВт Электрической энергии в течение 50 лет.

При оценках вырабатываемой электрической энергии должны приниматься во внимание возможности современной технологии. По­этому, учитываемые в этих оценках месторождения должны иметь температуры не менее 180°С, так как при меньших, температурах пос­ле вскипания образуются малые количества пара, и представлять собой системы с преобладанием пара и с высокотемпературными во­дами.

По сравнению с приведенными оценками Рекс [37] показывает, что только на месторождениях с преобладанием пара в Долине Боль­ших Гейзеров можно выработать 15 тыс. МВт мощности в течение 100 лет. Килкни [36] не дает точных оценок геотермальных ресурсов,

Однако его прогнозы ожидаемой мощности ГеоТЭС основаны по край­ней мере на минимальных оценках геотермальных ресурсов. Он, на­пример, оценил установленную мощность ГеоТЭС в 1985 г. в 7000 МВт при стоимости 5,25 • Ю-3 долл/ кВт• ч (производство электроэнер­гии от систем с преобладанием пара).

Оценка ресурсов для потенциально возможного промышленного использования составляет 4 • Ю21 Дж(фиг. 1.4). Такого количества тепла достаточно для производства 40 тыс. МВт мощности в течение по крайней мере 50 лет. Эти ресурсы, заключенные в основном в сис­темах с высокотемпературными водами (> 180°Q, с экономической точки зрения целесообразно использовать уже в настоящее время или в ближайшем будущем. Решающими экономическими факторами мо­гут оказаться стоимость закачки использованного теплоносителя, разработка систем с вторичным теплоносителем или других эффектив­ных систем и методов многоцелевого использования (электрическая энергия - пресная вода — минеральное сырье).

В настоящее время большое внимание уделяется производству электрической энергии из термальных вод путем использования сис­темы, в которой тепло этих вод передается1 в теплообменнике другой жидкости, например изобутану или фреону, которые кипят при низких температурах и на паре которых работает турбина. Такая электро­станция работает в Советском Союзе в Паратунке на Камчатке, где температура термальных вод составляет 81 °С. В США к такой систе­ме производства электроэнергии проявляют большой интерес, и, как известно, такая установка на изобутане мощностью 10 МВт уже со­оружена летом 1976 г. и работает в Импириал-Валли [2]. Используе­мые здесь рассолы содержать 25,0% растворенных солей. В схеме преобразования энергии предусмотрено четырехразовое вскипание рассола при постепенном уменьшении давления. Образовавшийся пар конденсируется в теплообменнике, при этом тепло передается вто­рой жидкости (изобутану), которая испаряется и направляется в тур­бінну. Паровой конденсат из теплообменника вместе с солями, выде­лившимися при вскипании рассола, возвращаются в коллектор. Если двухлетний опыт работы установки будет успешным, то на этом мес­торождении будет построена ГеоТЭС мощностью 50 МВт. Аналогич­ная установка работает в КНР [9].

Создание многоцелевой системы по производству электроэнер­гии, опресненной воды и извлечению минеральных солей создает эко­номические предпосылки для производства электрической энергии бла­годаря окупаемости значительной части затрат за счет производ­ства побочных продуктов. В настоящее время разрабатывается не­сколько проектов многоцелевых установок, в частности Управление ме­лиорации США и Ведомство опреснения вод планируют создание такой установки в Импириал-Валли. По оценкам Килкни [36], успешная ра­бота этих установок обеспечит при несколько более высокой стоимос­ти энергии (5,75г6,25) • 10~3долл./кВт- ч, дополнительное производ­ство 6000 МВт к 1980 г. и 12 тыс. МВт к 1985 г.

Рекс [37] при оценке известных запасов учел месторождения вы­сокотемпературных вод в Импириал-Валли, а также более глубокие месторождения с преобладанием пара в Долине Больших Гейзеров, которые в состоянии обеспечить работу ГеоТЭС общей мощностью 30 тыс. МВт в течение 100 лет. По оценкам Рекса, дополнительные ре­сурсы такого типа только в западных (граничащих с Мексикой) штатах обеспечат производство 2,4 млн. МВт электрической энергии.

Промышленные геотермальные ресурсы могли бы еще более воз­расти при дальнейшем развитии техники, когда станет возможным освоение ресурсов, нерентабельных в настоящее время с экономичес­кой точки зрения. Эти ресурсы оценены более чем в 4 • 1022 Дж и до­статочны для производства более 400 тыс. МВт электрической мощ­ности в течение 50 лет [8]. Для предполагаемого увеличения исполь­зуемых геотермальных ресурсов требуется:

1. Успешное применение методов производства электро­энергии на базе месторождений с промежуточными и низки­ми температурами (меньшими 180°С).

2. Разработка более совершенных методов закачки жид­костей в геотермальные месторождения, что позволит бо­лее полно и в течение более продолжительного временй ис­пользовать тепло, заключенное в породах и жидкостях этих месторождений.

3. Разработка методов искусственного стимулирования с целью увеличения производительности геотермальных месторождений, которые в сочетании с закачкой жидкости обеспечат извлечение тепла из сухих горячих пород.

4. Усовершенствование современных методов бурения и создание новых методов для экономически выгодного глубокого бурения.

5. Разработка новых способов более широкого использо­вания низкотемпературных геотермальных ресурсов для обо­грева помещений, в производственных процессах, сельском хозяйстве и т. д.

Так как указанные методы успешно развиваются, то промышлен­ные геотермальные ресурсы возрастут в пределах, определяемых.

Общими запасами геотермальной энергии США. По оценкам Рекса [37], ресурсы месторождений горячей воды с промежуточными темпе­ратурами и глубинных месторождений с преобладанием пара или го­рячей воды на западе США, на побережье Мексиканского залива, а также на Аляске и Гавайских островах могут обеспечить производ­ство 12,6 млн. МВт электрической мощности в течение 100 лет. Кро­ме того, при успешной разработке и применении методов извлечения тепловой энергии из сухих горячих пород ресурсы возрастут настоль­ко, что можно будет производить до 20 млн. МВт при бурении на глу­бины до-6 км и еще 40 млн. МВт при бурении на глубины от 6 до 10 км.

О вкладе геотермальной энергии в общие энергетические потреб­ности США в ближайшие 30 лет можно судить по следующим оценкам установленной мощности ГеоТЭС:

На период 1975-1985 гг. приняты оценки Килкни [36], являющие­ся по сути официальным мнением одной из немногих американских фирм, занятых разведкой, освоением и использованием геотермаль­ных ресурсов и получающих при этом прибыль. Эти оценки установ­ленной мощности соответствуют стоимости электрической энергии 6,25 • Ю-3 долл./кВт • ч и основаны на предположении, что развитие современной техники обеспечит экономически выгодное производство энергии из месторождений горячей воды, а также многоцелевое использова­ние таких геотермальных ресурсов, как имеющиеся в долине Импириал-Валли.

, Более развернутая, чем предложенная Килкни [363, правительственная программа исследования и освоения геотермальных ресурсов может уско­рить разработку и применение новых методов, что позволит получить в 1985г. большую установленную электрическую мощность, чем указанная выше. Оцен­ки роста электрической мощности до 35 тыс. МВт в 1990 г. и до 75 тыс. МВт в 2000 г. получены в предположении, что при осуществлении развернутой пра­вительственной программы работ будут обнаружены новые геотермальные месторождения и разработаны метода производства электрической энергии из геотермальных жидкостей с больших глубин, нагретых до меньших теше- ратур, в том числе из находящихся под высоким давлением рассолов побе­режья Мексиканского залива.

Успешная разработка и применение методов экономически выгод­ного извлечения тепловой энергии из месторождений с недостаточ­ным количеством теплоносителей или с недостаточной проницаемостью пород может привести к еще большему увеличению мощности ГеоТЭС.

Оценки возможности использования рассолов побережья Мекси­канского залива для производства электроэнергии приведены в рабо­те [41], где проведен расчет блока ГеоТЭС мощностью 25 МВт. Пара­метры месторождения следующие: температура и давление воды на устье скважины Г63°С и 13,8 МПа соответственно, расход воды 230 м3/ч, содержание метана в 1 м3 воды 7 м3. Рассмотрены две схемы преобразования тепловой энергии: с двукратным испарением и двухконтурная с использованием изобутана во йтором контуре [41]. Для первой схемы получены следующие результаты (в расчете на один блок мощностью 25 МВт): удельные капитальные затраты 738 долл./кВт, число эксплуатационных скважин 8,5, извлечение ме­тана 0,39 • 10е м3/ сут, а для второй соответственно: 786 долл./ кВт; 10,2 скважин и 0,46 • 10е м3/сут. Использованная вода при темпера­туре 71°С и давлении 0,2 МПа закачивается в пласт на глубину 1825 м. Капитальные затраты на такую ГеоТЭС, работающую на термальных водах высокого давления, по расчетам оказались в 2 раза меньше, чем для ТЭС на ископаемом топливе. Кроме того, годовой доход от извлечения метана может составлять 90% дохода указанной ТЭС.