ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Э. И. Богуславский
профессор, д. т. н., СПбГТУ им. Г.В. Плеханова

Введение

Развитие и процветание России в значительной мере зависит от возможностей обеспечить собственные энергетические нужды. На этом историческом периоде ископаемые энергоресурсы являются основным источником пополнения государственного бюджета. Ресурсы нефти, при сохранении объемов ее экспорта, быстро истощаются; запасы природного газа тоже ограничены. Запасы угля существенно исчерпаны за последнее десятилетие, а оставшиеся требуют значительных инвестиций, повышения текущих затрат и характеризуются снижением качества углей. Возрастают расходы на охрану окружающей среды.

В этих условиях существенно ухудшилось энергоснабжение Европейской части страны. Поиск альтернативы сжигаемому органическому топливу ведется уже не один десяток лет. Особое место занимают геотермальные ресурсы. В мире они в 10 раз превышают суммарные ресурсы ископаемого органического топлива. На территории России прогнозные геотермальные ресурсы (ГР) на доступных глубинах (до 5-6 км) в 4-6 раз превышают ресурсы углеводородов и по оценке Санкт-Петербургского государственного горного института (СПГГИ) и Федерального государственного унитарного предсприятия (ФГУП) "Недра" составляют для нужд теплоснабжения 57 трлн. тонн условного топлива, в том числе для отопления - 31 трлн. тонн условного топлива.

При сопоставлении с традиционными источниками энергии очевидны следующие преимущества ГР: неисчерпаемость, повсеместность распространения, близость к потребителю, локальность обеспечения потребителя теплотой и электроэнергией, принадлежность к местным ресурсам, полная автоматизация, безопасность и практическая безлюдность добычи геотермальной энергии, экономическая конкурентоспособность, возможность строительства маломощных установок, экологическая чистота.

Однако специфика ГР включает и ряд недостатков: низкий температурный потенциал теплоносителя, нетранспортабельность, трудности складирования, рассредоточенность источников, ограниченность промышленного опыта.

Само понятие "ГР" долгие годы было дискуссионным. Автором предложено их определение как: "количество теплоты, содержащееся в литосфере или ее участках, до глубины, технически достижимой средствами бурения на прогнозируемый период". За 30 лет это определение не вызвало обоснованных возражений.

Согласно разработанной классификации потенциальные ГР, с учетом горно-геологических условий, степени промышленного освоения, технологии добычи и использования теплоты недр, можно разделить на две группы: а) ГР слабопроницаемых горных пород - петрогеотермальные. Технология их извлечения (глубина бурения до 10 км) находится на экспериментальном уровне. Созданы только единичные опытные циркуляционные системы с искусственными коллекторами в США, Англии, Японии, России (Тырныауз), Германии, Франции. б) ГР естественных (водных) коллекторов - гидрогеотермальные. Они промышленно эксплуатируются циркуляционными системами (Франция, США, Германия, Дания, Украина, Польша, Швейцария, Россия и др.).

Рассматривая тепловую энергию недр как полезное ископаемое, необходимо определить его количественную, качественную, экономическую и социальную значимость. В СПГГИ были разработаны основные концепции и создана первая методика геолого-экономической оценки ГР. Исследовалась плотность прогнозных ресурсов геотермального теплоснабжения более чем в 3000 пунктах России.

Общий тепловой потенциал ресурсов ГЭ России эквивалентен 1702 трлн. т у.т. Технически доступные ресурсы ГЭ для нужд теплоснабжения составили 70/20 °С - 56,9 трлн. т у.т., в том числе для нужд отопления - 30,5 трлн. т у.т. Энергетический потенциал технически доступного, экономически целесообразного и экологически чистого альтернативного источника энергии для России составляет 44,6 трлн. т для нужд теплоснабжения (70/20 °С, в том числе для отопления - 16,4 трлн. т у.т.)

Таблица 8
Геотермальные ресурсы территории России
Регионы Потенциальные,
Р, 1•1012 т у.т.
Прогнозные ресурсы теплоснабжения
1•1012 т у.т.
Технически
доступные
Экономически
целесообразные
70/20 °С 90/40 °С 70/20 °С 90/40 °С
Северный 132 3.7 1.1 3.4 0.95
Северо-Западный 18 0.9 0.2 0.6 0.1
Центральный 35 1.5 - 0.99 -
Центрально-Черноземный 19 5.7 1.3 4.8 0.07
Волго-Вятский 12 0.54 - 0.37 -
Поволжский 59 2.7 1.49 2.1 1.37
Северо-Кавказский 45 1.86 1.35 1.6 0.97
Уральский 64 1.2 0.36 0.6 0.18
Западно-Сибирский 258 9.8 7.4 8.2 3.8
Восточно-Сибирский 364 7.9 5.4 5.1 1.86
Дальневосточный 696 21.1 11.9 16.8 6.15
Калининградская обл. - - - 0.1 0.09
Итого по России 1702 56.9 30.5 44.64 16.44

Как видно из таблицы 8, значительная часть территории России характеризуется наличием низко- и среднетемпературных естественных коллекторов. ГР Северо-запада России не так уж велик, но он существует и может быть использован в локальных масштабах.

Для освоения низко- и среднетемпературных естественных коллекторов в мире создана промышленная циркуляционная технология. Основными препятствиями широкого применения этой технологии можно считать: 1) высокие требования к геолого-геотермическим характеристикам естественного коллектора - глубине, температуре, мощности и проницаемости, определяющим экономическую целесообразность геотермального теплоснабжения; 2) сравнительно низкие температуры пород продуктивных горизонтов, вызывающие необходимость использования теплонасосных установок; 3) зональность распространения ГР под такую технологию.

В качестве примера геолого-экономической оценки ГР рассмотрена геологическая формация Московской синеклизы (таблица 9). Она охватывает Владимирскую, Вологодскую, Ивановскую, Костромскую, Нижегородскую Новгородскую, Тверскую и Ярославскую области. На ее территории прогнозируются два основных термоводоносных горизонта. Верхний - среднедевонский с глубиной залегания от 800 до 1700 м и нижний - среднекембрийский на глубине 900-2300 м.

Таблица 9
Перспективные гидрогеотермальные ресурсы среднедевонского
и среднекембрийского термоводоносных горизонтов Московской синеклизы
Области Территория, имеющая ресурсы Перспективные
ресурсы,
млрд. т у.т.
Плотность,
тыс. т у.т./км2
тыс. км2 в % от общей
Владимирская 14.2 / 3.2 49.0 / 11.0 1.42 / 0.11 100 / 34
Вологодская 62.1 / 51.4 42.6 / 35.3 8.24 / 2.51 130 / 49
Ивановская 23.9 / 11.8 100.0 / 49.4 4.06 / 0.75 170 / 64
Костромская 54.2 / 25.5 90.2 / 42.4 11.46 / 2.16 200 / 85
Новгородская - / 4.2 - / 7.5 - / 0.11 - / 25
Тверская 2.9 / 51.0 3.4 / 60.6 0.19 / 1.99 60 / 39
Ярославская 36.4 / 36.4 100.0 / 100.0 3.59 / 3.38 200 / 93
Итого 221.7 / 183.5   33.16 / 11.01  
Примечание: в числителе - среднедевонский, знаменателе - среднекембрийский горизонты.

Основные потребители тепла в городах и поселках - промышленные предприятия и жилищно-коммунальное хозяйство. Для Северо-запада России при удельной плотности ГР по аналогии с центральными областями России от 25 до 130 тыс. т у.т./км2 по каждому из термоводоносных горизонтов, а совместно - до 150 тыс. т у.т./км2, обеспеченность перспективными ГР, при условии полного использования площадей и деконцентрации тепловых нагрузок до уровня сельских населенных пунктов, может составить от 300 до 2900 лет.

МИРОВОЙ ОПЫТ ОСВОЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Роль ГР в составе нетрадиционных (возобновляемых) источников энергии несомненно превалирующая. В частности, в мировом производстве электроэнергии они занимают более 60 %.

Главными потребителями ГР на ближайшую и отдаленную перспективу несомненно будут теплоснабжение и, в значительно меньшей мере, выработка электроэнергии. Приоритетность теплоснабжения в балансе использования ГЭ убедительно обоснована автором и его коллегами, что позволяет наметить направления привлечения инвестиций, создания специализированного оборудования, выбор перспективных районов и первоочередных объектов. В настоящее время разведка и эксплуатация геотермальных месторождений ведется более чем в 70 странах мира, в 60 странах освоено промышленное использование ГР. В 2000 году в мире действовали промышленные геотермальные тепловые станции в 58 странах с общей установленной мощностью 16,4 тыс. МВт(т) и годовой выработкой 192 тыс. ТДж/г, что позволило сэкономить 8,2 млн. т у.т. (табл. 10).

Таблица 10
Тепловое использование геотермальной энергии в 10 странах мира
Страна Тепловая
мощность, МВт т
Произведенная
энергия, TДж/г
Экономия
топлива, тыс. т/г
1 Китай 2282 37908 1630,04
2 Япония 1166 27515 1183,15
3 Соединенные Штаты 3766 20302 872,99
4 Исландия 1469 20170 867,31
5 Турция 820 15756 677,51
6 Новая Зеландия 308 7081 304,48
7 Грузия 250 6307 271,20
8 Россия 307 6132 263,68
9 Франция 326 4895 210,49
10 Швеция 377 4128 177,50
Всего в 58 странах 16407 191524 8235,53

Использование низкотемпературной ГЭ в мировой практике показывает, что большая ее часть (73 %) идет на обогрев помещений, купален, рыбоводства и теплиц. Значительно возросла доля геотермального теплообеспечения сельского хозяйства. Мировое энергопроизводство для этой цели составляет 310 тыс. т у. т. и равно 7 % от мирового энергопользования в этой области.

Во Франции с начала 60-х годов началось использование низкотемпературной (27-70 °С) ГЭ. В 1984 г. геотермальные циркуляционные системы работали в 10 городах страны и обеспечивали отопление 45 тысяч квартир. Было начато строительство систем геотермального теплоснабжения (СГТ) еще в ряде городов. Полные затраты на создание модуля СГТ из одной пары скважин составляет в среднем 4 - 6 млн. долларов США.

ТЕХНОЛОГИЯ ОСВОЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Геотермальная технология добычи тепловой энергии недр включает как процесс извлечения, так и обработки и доставки к потребителю теплоносителя с заданным качеством и рыночным уровнем экономической эффективности его использования. Под качеством геотермального теплоносителя понимается: температура, степень минерализации, коррозийная активность, газоносность, загрязнение вредными примесями и др. По способу добычи теплоносителя предлагается следующая классификация геотермальных систем (рис. 4).

Классификация геотермальных систем
Рис. 4. Классификация геотермальных систем.
.

Фонтанная технология в настоящее время доминирует при разработке геотермальных месторождений, представленных природными проницаемыми коллекторами, содержащими флюиды (воду, рассолы, пароводяные смеси, пар) с давлением, как правило, выше гидростатического. Пластовый флюид, выведенный по эксплуатационным скважинам на поверхность за счет избыточного давления в коллекторе или насосной откачки, подается потребителю и после теплового использования сбрасывается в естественные или созданные водоемы и водопотоки. Эта технология имеет ряд существенных недостатков, в основном, экологического и ресурсного характера, в связи с чем она не имеет перспектив для развития большой энергетики.

Циркуляционная технология представлена геотермальными циркуляционными системами (ГЦС) трех типов: с естественными проницаемыми коллекторами (Рис. 5), с преобразуемыми трещинными зонами, с искусственно создаваемыми коллекторами в слабопроницаемых скальных породах. Циркуляционная технология разработки геотермальных месторождений природными коллекторами успешно применяется во Франции, имеет промышленное распространение в Германии, на Украине (Крым), в Дании, Швейцарии, США, Польше, России (Чечня, Дагестан) и др.

Схема станции (системы) геотермального теплоснабжения
Рис. 5. Принципиальная схема станции (системы) геотермального теплоснабжения при разработке термоводоносного, проницаемого горизонта:
1 - нагнетательная скважина; 2 - наземная насосная установка; 3 - система водогазоочистки и водоподготовки; 4 - теплообменники; 5 - догревающая котельная; 6 - сетевой насос; 7 - магистральные теплотрассы; 8 - жилой массив; 9 - промышленные объекты; 10 - парниково-тепличный комбинат; 11 - рыбное хозяйство; 12 - бальнеологический и спортивно-оздоровительный комплекс; 13 - тепловые насосы; 14 - погружные насосы; 15 - добычная (водоподъемная) скважина; 16 - система прискважинных фильтров.

Приповерхностные (малоглубинные) технологии использования низкотемпературной ГЭ малых глубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше, чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50-80 тысяч новых систем. Успешно внедряется эта технология в Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии, США. К концу 2000 года в мире действовало около 500 тысяч таких систем, со средней мощностью 10 кВт т и общей мощностью не менее 2,2 ГВт (т).

Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от очень дешевых до роскошных индивидуальных или многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т. п.

Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения (рис. 6). При этом используются температуры пород в интервале 5-14 °С.

ба
Приповерхностная (малоглубинная) геотермальная система в скважинахПриповерхностная (малоглубинная) геотермальная система в горизонтальных каналах
Рис. 6. Приповерхностная (малоглубинная) геотермальная система с теплообменом
а - в горизонтальных каналах; б - в скважинах.
:

Эти системы используют не только ГЭ, накопленную в горных породах или в воде, но и солнечную. Конкретная доля той или иной энергии, используемая системой, зависит от глубины расположения теплообменника, климатических и гидрогеологических условий района. Предполагается, что для мелкозалегающих горизонтальных теплообменников основной вклад составляет доля солнечной энергии.

Капитальные затраты на строительство такой установки могут оказаться на 50-100 % выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. Однако эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии на 60 % ниже чем от традиционных источников обогрева на электричестве и на 25 % ниже, чем от воздушных тепловых насосов. Срок окупаемости снижается в условиях резко континентального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом - для охлаждения зданий. В США считают приемлемым достижения окупаемости в течение 4-8 лет. Расчет затрат (табл. 11) на строительство этой установки в доме на одну семью в Швейцарии подтверждает сказанное.

Таблица 11
Затраты (в тыс. долл. США) по установке систем отопления для нового дома на одну семью (Kevin Rafferty).
Сравнение котельной на нефтепродуктах и геотермальной скважинной установки
Наименование затрат ГСТСК Котельная на нефтепродуктах
Скважинный теплообменник до глубины 135 м (бурение, трубы, испытания) 8,05  — 
Тепловой насос (приобретение, установка, испытание) 7,35  — 
Регулировка систем отопления 1,61  — 
Материалы и установка 2,94  — 
Комнатный котел, горелка с низким NO (включая регулировку)  —  5,6
Пластиковая емкость для нефтепродуктов (включая поддон, материалы для установки и развертывания)  —  4,2
Дымоходные трубы: все строительные работы, изоляция и герметизация  —  4,9
Итого: доллары США 19,55 14,7

Как видно из таблицы, стартовые затраты на геотермальную установку для теплоснабжения дома на 25 % выше, чем на котельную, но в дальнейшем не потребуется топлива и эта разница окупится не более чем за 3-4 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Освоение низкотемпературных термоводоносных горизонтов на значительных территориях России технически возможно и экономически целесообразно.
2. Масштабы добычи и использования экологически чистой геотермальной энергии в XXI веке должны обеспечить ее значимую роль в топливно-энергетическом балансе России.
3. Широкий диапазон целесообразной теплопроизводительности модуля, конкурентоспособные параметры и показатели СГТ позволяют использовать низкотемпературную геотермальную энергию для потребителей на значительной части территорий, обеспеченных геотермальными ресурсами.

Используемые в статье аббревиатуры:
СГТ  — система геотермального теплоснабжения
ГР  — геотермальные ресурсы
ГЭ  — геотермальная энергия
у.т.  — условное топливо
ЭК  — электрокотельная
АК  — альтернативная топливная котельная
ГЦС  — геотермальная циркуляционная система
СПГГИ  — Санкт-Петербургский государственный горный институт
ФГУП  — Федеральное государственное унитарное предприятие


Примечание издателя

По прогнозам Мирового энергетической комиссии, к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении в мире составит 75 %. ГТН позволяют получить на 1 кВт затраченной энергии 3-7 кВт тепловой энергии или 15-25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. В жилищно-коммунальном секторе с помощью ГТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. В качестве источника низкопотенциального тепла для ГТН чаще всего выступают водопроводная вода, грунт, морская и речная вода, канализационные стоки и т. п. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты водооборотных систем, стоков с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения.

Далее
Up