На відміну від всіх інших поновлюваних низькотемпературних джерел енергії, застосування петротермального, тобто глибинного тепла Землі стабільне в часі і не залежить від територіальних і кліматичних факторів. Для процесу отримання тепла та виробництва електричної і теплової енергії в цьому випадку не потрібна велика територія, тому петротермальна теплоелектростанція може бути зведена навіть в центрі мегаполісу, де завжди спостерігається дефіцит енергії.
Ефективність низькотемпературних петротермальних теплоелектростанцій
Перевагою такого типу джерел з точки зору екології є відсутність необхідності переробляти, добувати, спалювати і транспортувати паливо. Якщо врахувати відсутність шкоди для екології в якості економічного чинника в собівартості випуску енергії, то застосування для цієї мети глибинного тепла можна вважати конкурентоспроможним у порівнянні зі звичними методами отримання енергії.
В сьогоднішніх умовах є реальна можливість повсюдно використовувати на практиці тепло надр Землі з метою вирішення проблем енергетичного забезпечення споживачів на віддалених територіях незалежно від місцезнаходження і обсягу споживання. З урахуванням значної території нашої країни цей фактор має першорядне значення.
Особливості застосування глибинного тепла планети
Відомо, що головним показником, що характеризує тепловий потенціал земних порід, вважається геотермічний градієнт температур, під яким розуміється швидкість збільшення температури порід в міру збільшення глибини. Середнє значення даного параметра, в залежності від регіону, знаходиться в інтервалі від 2 до 6 °С, тобто на дану величину температура порід Землі через кожні 100 м. в глибину зростає.
Найвищі показники геотермічних градієнтів зафіксовані в теперішніх областях вулканічної діяльності. Для невулканічних територій геотермічний градієнт в середньому складає 2-5 ° С на 100 м. Це дає можливість розраховувати на температуру земних порід до 260 ° С на глибинах до 10 км. Петротермальні теплоелектростанції (петроТЕС) вигідно будувати, якщо температура одержуваного тепла не менше 100 °С. При зазначених вище середніх градієнтах дана температура відповідає глибині від 3,5 до 5 км.
Аналіз наявних даних показує, що різні значення геотермічного градієнта майже у всіх випадках польових вимірювань істотно перевершують встановлені раніше (на 80-100%), що вже є вагомим аргументом на користь петротермальних теплоелектростанцій.
Застосування глибинного тепла земних порід має свої труднощі. Це в основному пов’язано з бурінням глибоких свердловин. Сьогодні глибина буріння – ключовий фактор, який обмежує доступність глибинного тепла нашої планети з необхідним рівнем температури в будь-якій точці планети. Є технології, що дають можливість здійснювати надглибоке буріння до 12 км. Технології спорудження свердловин на глибину 3-5 км відпрацьовані добре і є недорогими. Однак буріння становить 70-80% капітальних витрат на зведення всього комплексу петротермальних теплоелектростанцій.
Вдосконаленню технологій буріння на надглибини приділяється сьогодні велика увага по всьому світі і є розробки, які дозволяють бурити свердловини на глибину в 7-10 км зі зниженням вартості буріння в два рази при значному скороченні часу на проходку.
Наступна проблема має стосунок до транспортування глибинного тепла земних порід на поверхню. У практиці повсюдно використовується метод видубутку глибинного тепла, що базується на прямому контакті носія тепла з надрами. У масиві високотемпературних земних порід за допомогою штучного гідророзриву формується система тріщин, яка гарантує вільну циркуляцію, а також нагрівання теплового носія. Циркуляційна система включає дві свердловини: нагнітальну свердловину, через яку носій тепла проходить в масив тріщин, а потім в експлуатаційну свердловину, в свою чергу гарячий носій тепла через неї виходить на поверхню. Цей метод має серйозні недоліки: висока мінералізація і забрудненість теплоносія; необхідність використання вартісного зносостійкого обладнання та формування складних систем фільтрації.
Розробка схеми петроТЕС на перспективу
Щоб усунути вищевказані недоліки, створені і запатентовані схеми побудови двоконтурних петротермальних теплоелектростанцій з застосуванням єдиної свердловини і одного теплообмінника моделі «труба в трубі». Така схема дає можливість виключити контакт теплоносія з породами Землі і дозволяє застосовувати традиційне обладнання без потреби розробки складних схем фільтрації.
Виробництво електроенергії із застосуванням такої схеми може відбуватися із використанням будь-якого низькотемпературного робочого тепла, тобто з невеликою температурою кипіння. При розрахунку цієї схеми петроТЕС при вихідних даних була взята наступна інформація: геотермічний градієнт дорівнює 3,1 °С на 100 м., електрична потужність – 1 МВт, свердловина має глибину 3500 м., обсадна труба в діаметрі – 426 мм., підйомна труба в діаметрі – 273 мм.
Кінцевим підсумком розрахунку вважається значення загальної витрати потужності насосів (163,6 кВт) на самообслуговування (циркуляція фреону, води в свердловині, циркуляція в градирні), що визначають у великій мірі ключові витрати на власні потреби. ККД петротермальной теплоелектростанції дорівнює 36%.
Ключовим елементом теплової схеми петротермальной теплоелектростанції є турбіна, яка функціонує на низькотемпературному робочому тілі. Подібні установки з використанням фреону R-11 вперше були розроблені в Японії. На металургійному заводі «Кішіма» в 1979 році була введена в експлуатацію турбіна, потужність якої сягала 2,9 МВт.
В тепловій схемі петротермальних теплоелектростанцій в якості робочих тіл застосовуються різні низькотемпературні речовини. Результат робочого тіла залежить від двох параметрів:
– Показник питомої виробленої роботи на одиницю робочої речовини;
– Показник витрат тепла на випаровування робочої речовини.
Сьогодні 1 кВт.год відпущеної електроенергії від петроТЕСспівимірна, навіть без врахування екологічного фактору, з показниками вартості інших видів поновлюваних енергетичних джерел.
Згідно з попередніми розрахунками, ціна за 1 кВт встановленої потужності петротермальной теплоелектростанції складе 2-3,5 тис. євро.
