Потенциал развития геотермальной энергетики в России

Геотермальная энергетика – самая перспективная отрасль энергетики, особенно это касается России. Согласно прогнозам специалистов объемы тепловой энергии Земли, сконцентрированная под толщей земной коры в 10 км, в 50 тысяч раз превышают объемы энергии всех мировых запасов углеводородов – нефти и природного газа [1].

В настоящее время используется потенциал на глубине геотермального источника до 3 км с температурой до 300°С, при этом малой эффективностью обладают источники геотермальной теплоты на поверхности источника в виде горячей воды, кроме реализации системы отопления близлежащих населенных пунктов. Эффективный КПД современных геотермальных электростанций (ГеоЭС) не превышает 20%. Поэтому поиск новых решений в эффективном использовании низкопотенциальной теплоты на ГеоЭС для выработки электроэнергии позволит в будущем повысить эффективный КПД станции и возможность конкурировать с традиционными тепловыми электростанциями.

В северных районах Дальнего Востока, и особенно на Камчатке и Курильских островах, достаточно подземных источников теплоты для того, чтобы полностью обеспечить теплом и электроэнергией большие районы. Количество действующих в России геотермальных электростанций насчитывается всего 5 станций (табл. 1), для каждой из которых имеются возможности внедрения энергоустановок на низкокипящих рабочих телах.

Количество действующих в России ГеоЭС

Наибольшего потенциала в использовании геотермальной теплоты достигнуто зарубежными ГеоЭС (табл. 2). Где первенство в геотермальной электроэнергетике сохраняют США. Затем идут Филиппины и Индонезия, Италия, Япония и Новая Зеландия. Активно развивается геотермальная энергетика в Мексике и, конечно, в Исландии – там за счет геотермальных источников покрывается 99% всех энергетических затрат [2].

Таблица 2

Крупные зарубежные ГеоЭС

На сегодня известно несколько крупных фирм (Turboden, Ormat, Maxxtec и др.), которые занимаются исследованием и серийным выпуском энергоустановок на низкокипящих рабочих телах для ГеоЭС (табл. 3). Однако пока рынок не может предложить эффективных решений в утилизации низкоэнтальпийных источников теплоты с температурой ниже 80°C для выработки электроэнергии [3].

Зарубежные производители энергоустановок на низкокипящих рабочих телах

Для повышения потенциала использования низкоэнтальпийных источников теплоты необходимо решить целый ряд научно-технических вопросов, такие как выбор оптимального низкокипящего рабочего тела, определение предельной минимальной температуры охлаждения конденсата, выбор оптимального метода удаления неконденсирующихся газов из конденсатора-испарителя, вопросы по обеспечению экологических ограничений по выбросу и т.д.

Одним из возможных решений может стать использование в качестве рабочего тела сжиженного углекислого газа в энергоустановках при определенных внешних условиях окружающей среды. Это характеризуется тем, что температурный диапазон использования сжиженного газа СО 2 в тепловом контуре термодинамического цикла ограничивается показателями критической температуры в 31°С и температурой в тройной точке минус 56,56°С. Поэтому использование сжиженного газа СО₂ в температурном диапазоне от 60°С до минус 55°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового двигателя и затраты на его сжатие [4].

В частности сжиженный углекислый газ характеризуется повышенной изобарной теплоемкостью от 3 до 39 кДж/кг∙К при температуре от 290,15 К до 304,13 К (от 17°С до 31°С), что является соизмеримым показателем для воды Н 2 О при критических параметрах и обеспечивает эффективный отбор теплоты при его нагреве до критических параметров.

Данные исследования в будущем позволят использовать энергоустановки на низкокипящих рабочих телах при более низких температурах, чем существующие и проектируемые бинарные энергоустановки для ГеоЭС.