Решение проблем истощения традиционных видов топлива с помощью геотермальной энергии



Данная статья посвящена рассмотрению вопросов об истощении традиционных видов топлива, таких как нефть, газ, уголь и т. д. Геотермальная энергия является нескончаемым запасом энергии, по сравнению с другими видами. В данной работе рассматриваются два основных способа разработки геотермальной энергии, связанные с горячими источниками и сухим паром. Способ добычи геотермальной энергетики из сухого пара считается самым простым, по сравнению с другими. Он основан на превращении сухого пара в энергию с помощью бурения глубокой скважины, в которой создается гидравлический разрыв и предотвращается выброс горячей воды, что позволяет производить циркуляцию воды с помощью нагнетательного насоса. Способ добычи геотермальной энергетики из горячей воды имеет три различные схемы разработки. Самым эффективным и экономически выгодным способом разработки с помощью горячих источников является тот, который работает на основе схемы полного теплового потока.

Ключевые слова: добыча энергии, геотермальная энергия, горячие источники, сухой пар.

В наше время используется около 3,5 % геотермального потенциала для создания электроэнергии и 0,2 % для получения тепла. Коэффициент использования мощности современных геотермальных электростанций (ГеоЭС) доходит до 90 %, а это в 3–4 раза выше, чем использование других технологий возобновляемой энергии [1].

Проблема заключается в том, что традиционные виды топлива со временем только дорожают т. к. они становятся исчерпаемыми, поэтому нужно искать альтернативу данным видам энергии. Геотермальна энергия способна возобновляться, другими словами, она вечна. Она способна обеспечить переработку из соленой воды в пресную и электричество, которое будет преобразовано из геотермальных вод Земли. Тем самым способ добычи такой энергии позволяет пользоваться ей долгие столетия, экономить на топливе и эксплуатации.

Способы добычи геотермальной энергии из сухого пара

Это простейший способ преобразования сухого пара в геотермальную энергию (рис. 1). Его применение связано с горно-геологическими условиями и температуропроводностью. Данный способ включает в себя несколько этапов: бурение глубокой скважины, создание гидравлического разрыва, бурение второй скважины и циркуляция воды.

Рис. 1. Система освоения неглубокого сухого геотермального месторождения [3]: 1 — часть ствола скважины, укрепленная обсадными трубами, диаметр 340 мм; 2 — часть ствола скважины, не укрепленная обсадными трубами, диаметр 305 мм; 3 — часть ствола скважины, укрепленная обсадными трубами, диаметр 244 мм

Первый этап. Сначала необходимо пробурить глубокую скважину. Для этого нужно выбрать месторождение с отсутствием крупных тектонических нарушений и наличие нужных горных пород по всей длине бурения. Бурить глубокую скважину нужно до определенной глубины, исследовать на физико-химические свойства и измерить температуру породы на забое скважины. Обсадными стальными трубами закрепляется скважина до верхней границы и цементируется.

Второй этап. Далее необходимосоздать гидравлический разрыв. Для этого в части скважины, ниже участка, которой укреплен обсадными трубами, устанавливается гидравлический разрыв, не имеющий обсадки. Для нагнетания воды по линии высокого давления, на поверхности устанавливается высоконапорный насос. Гидравлический напор, который должен превышать 48 МПа, создает трещины в породах, прилегающих к скважине, с помощью растягивающего напряжения. После создания гидравлического разрыва необходимо провести операцию для предотвращения выброса горячей воды в больших количествах и определение направления трещин.

Третий этап. После необходимо пробурить вторую скважину, которую бурят по методу направленного бурения. Данный метод включает в себя периодическое повышение давления для проверки сообщения между скважинами. Сперва ее бурят параллельно на забое первой скважины по нормали к ориентации системы трещин и располагают в нескольких десятках метров. Вторая скважина бурится до верхней граница системы трещин, затем она проходит в наклонном состоянии, чтобы пересечь эту систему. Для завершения гидравлического разрыва расширяем систему трещин до конечных размеров путем нагнетания жидкости через глубокую скважину.

Четвертый этап. После того, как завершили бурение скважин и создали систему трещин, вода, с помощью нагнетательного насоса и созданной системы на поверхности, нагнетается в образовавшийся контур и циркулирует в нем. Для того, чтобы отключить насос, и циркуляция происходила за счет естественной конвекции нужно достигнуть определенной средней разности температур восходящего и исходящего потоков воды.

Способы добычи геотермальной энергии из горячего источника

Данный способ описывает, как из горячих источников получить энергию. Он включает в себя три схемы извлечения энергии из горячих источников (рис. 2). Способ добычи геотермальной энергии из горячего источника состоит в том, чтобы использовать горячие растворы для получения энергии. Из этих трех схем самый большой общий коэффициент полезного действия имеет схема полного теплого потока, чем другие.

Рис. 2. Способы получения энергии из горячих геотермальных растворов [3]: 1 — центробежный сепаратор; 2 — турбогенератор; 3 — теплообменник; 4 — глубинный насос; 5 — активная радиальная турбина

Схема с сепаратором. Добыча геотермальной энергии по данной схеме включает в себя проходку скважин до горизонтов с высокими температурами и поднятие нагретой воды, за счет поступающего давления из геоструктур, до отделения жидкости и пара через центробежный сепаратор. После чего горячий пар переходит из сепаратора к реактивной паровой турбине. Это нужно для того, чтобы в дальнейшем мы могли использовать пар, как тепловую энергию для создания электричества. Такая схема применяется только на тех источниках горячих растворов, которые содержат небольшую концентрацию солей. Его и используют в России на Мутновской ГеоТЭС [4].

Схема с вторичным носителем. Добыча геотермальной энергетики по данной схеме предусматривает вторичный теплоноситель. Горячие растворы, полученные из горячих источников, перекачивают с помощью давления, но этот способ является более сложен от первого тем, что появляется проблема надежного обеспечения теплообменника и подземного насоса из-за коррозионных свойств горячих растворов, что ограничивает применение данного метода. Здесь задействована система турбогенератора с циклом Ренкина и жидкостью, которая предотвращает вскипание горячих растворов в теплообменнике и не содержит коррозию, например, изобутана.

Схема полного теплового потока. Использования горячих растворов по данной схеме будет наиболее экономически выгоднее по сравнению с предыдущими. Экономическая выгода такой разработки состоит в том, что число механических устройств на поверхности гораздо меньше, несмотря на затраты защитных растворов и производительность энергии больше в 1,6 раз, чем в предыдущих способах разработки [5].

Заключение

Рано говорить о полном переходе на геотермальную энергию, пока существуют традиционные ресурсы, но выбросов в атмосферу вредных примесей становиться все больше, а геотермальная энергия способна решить данный вопрос за счет своей экологичностью. Такая страна, как Исландия уже давно перевела экономику на геотермальные ресурсы и планирует довести до 92 % их использования. В России энергия геотермальных ресурсов на порядок превышает потенциал органического топлива. Наиболее перспективными регионами России являются Камчатка, Курилы, Северо-Кавказские и Северо-Сибирские. Крайне перспективно использовать подземное тепло. Оно может обеспечить здания теплым и холодным воздухом и поможет немало сэкономить. Мир, несмотря на органическое топливо, должен всерьез подумать над данным источником энергии, ведь рано или поздно это будет основным поставщиком электроэнергии и теплоснабжением для всего человечества, а не только для отдельных стран.

Литература:

1. Алхасов, А. Б. Возобновляемые источники энергии / А. Б. Алхасов — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. — 268 с.
2. Алклычев М. М., Гайдаров Г. М., Шарафутдинов Ф. Г. — патент «Способ разработки геотермального месторождения»
3. Берман, Э. Геотермальная энергия / Э. Берман –М: Издательство МИР, 1978–411 с.
4. Бритвин О. В., Поваров О. А., Клочков Е. Ф. Мутновский геотермальный энергетический комплекс на Камчатке./ МАИК Наука/Интерпериодика, 2001 № 2, http://old.kamlib.ru/resourses/mutn2.htm — (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
5. Шпильрайн, Э. Э. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии/Теплоэнергетика, 1996, № 5 http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t82–1_1997/go,52/ — (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.