И экологические риски геотермальной энергетики

Геотермальные турбины не могут приблизиться по своему масштабу к турбинам тепловых электростанций, но Armstead (1970) показал, что в пределах размеров геотермального оборудования может достигаться определённый эффект его использования. Это подтверждено Мак Миланом (McMillan, 1970), который приводит полную стоимость капитальных затрат в пределах от 147 $ на киловатт для 13.5 МВт турбин до 105 $ на киловатт для 55 МВт конденсирующих машин. Не конденсационные турбины менее дорогие по капитальным затратам и Рагнерс и др. (Ragnars et al., 1970) рассчитали, что при турбинах в пределах 5-10 МВт капитальные затраты составляют порядка 90-130 $ на киловатт. Сравнение конденсирующих электростанций производилось в Италии Леардини (Leardini, 1970). Он привёл цены 190 и 80 долларов на киловатт соответственно для 15 МВт станций. Капитальные затраты 300 долларов на киловатт приводятся Хайясида и Езима (Hayashida, Ezima, 1970) для Отаке и 286 долларов на киловатт Накамура (Nakamura, 1970) для Матцукава. Эти высокие стоимости частично связаны со стоимостью прокладки дороги в гористой местности, а также со значительным разбросом скважин. Вообще стоимость сравнительно небольшой геотермальной электростанции мало отличается от стоимости тепловой электростанции мощностью 300-400 МВт.

Для некоторых геотермальных электростанций, по-видимому, необходимо исследовать проблему эксплуатации вакуумных конденсаторов, в связи с высокими концентрациями неконденсируемых газов. Если количество таких газов невысокое, то используются обычные паровые эжекторы, как показал Макмиллан (McMillan, 1970) для Гейзерной ГеоТЭС. Однако наличие высоких концентраций влияет на износ ротора, который значительно превышает расходы как на ремонт, так и на инвестиционные затраты. Поскольку фактически нет увеличения в стоимости эксплуатации геотермальных установок, то средняя стоимость энергии будет изменяться обратно пропорционально количеству выработанной энергии и, следовательно, фактору нагрузки. Таким образом, уменьшение коэффициента нагрузки геотермальной электростанции приведёт к пропорциональному росту средней цены. Armstead (1970) показал, что возможно использовать различие относительного смещения стоимости станции и фактора нагрузки, чтобы получить наиболее экономически выгодный рабочий режим геотермальной электростанции. В идеальном случае, увеличение средней цены, поднимающейся по мере уменьшения нагрузок, могло быть большим, чем компенсация за счёт экономии, полученной в результате использования турбин больших размеров. Этот аргумент заслуживает внимание в том, что увеличение оптимальных возможностей работающей геотермальной электростанции при коэффициентах нагрузки меньше, чем в условиях базовой нагрузки. Из анализа, данного Armstead (1970), получается, что должен быть экономический минимум коэффициента нагрузки, ниже которого, по-видимому, не может экономично работать тепловая конденсационная электростанция. Однако этот автор указывает на дополнительную возможность использования не конденсирующих турбин, работающих при низких коэффициентах нагрузки, с низким расходом капитальных затрат.

Случаи, при которых производство энергии турбинами без конденсаторов могут использоваться, являются не только вопросом стоимости станций, поскольку возросшая удельная стоимость пара должна превысить возможность сохранения геотермального источника тепла.

Как показал Кауфман (Kaufman, 1970), при экономическом сравнении гидро и геотермальных электростанций (где нет необходимости экономить топливо), последние могут иметь некоторые трудности в соревновании с гидроэлектростанциями.

Из информации, данной в нескольких статьях, очевидно, что имеющиеся в наличности геотермальные станции были способны эксплуатироваться при очень высоких нагрузочных коэффициентах. Накамура (Nakamura, 1970) приводит 90% нагрузочный коэффициент, тогда как Хаясида и Езима (Hayashida, Ezima, 1970) приводили коэффициенты более 97% в течение двухлетнего периода. Большой опыт обобщён Леардини (Leardini, 1970) для Лардерелло, где показано, что средние коэффициенты нагрузки превышают 98% для большинства установок.

Простота, которую можно достичь на работающих ГеоТЭС, в особенности при постоянной нагрузке, возможна при некотором внимании к проблеме автоматического контроля. Так, например, геотермальный турбогенератор в Намафьялле в Исландии, мощностью 3.5 МВт управлялся с гидроэлектростанции, расположенной в 12 км от неё. На Паужетской ГеоТЭС многие обычные функции были автоматизированы. Макмиллан (МсMillan, 1970) сообщает об автоматическом управлении до 16 часов каждый день 12 МВт установки в Гейзерах Калифорнии.

Для обычного обслуживания станций на ГеоТЭС в Лардерелло Леардини (Leardini, 1970) считает необходимым 1.2 человека на 1 МВт установленной мощности. Если учитывать весь штат, участвующий в производстве электроэнергии, то эта величина составит 1.8 человека на 1 МВт.

Помимо капитальных расходов, наиболее значительной долей стоимости электроэнергии, производимой ГеоТЭС, являются ремонтные работы. К этим работам относится чистка оборудования от отложений солей. Коррозия может вызываться высокими концентрациями неконденционируемых газов в гидротермах. Иногда приходится устанавливать химические насосы для контроля рН в охлаждающей системе для того, чтобы нейтрализовать серную кислоту.

Большинство ГеоТЭС, использующих пароводяную смесь, работают в режиме прохождения этой смеси через сепаратор, в котором высокопараметрический пар поступает на турбину, а отделившаяся вода обычно закачивается в реинжекционные скважины. Джеймс (James, 1970) в своей работе обсуждает трудности использования этих больших геотермальных ресурсов. Однако имеются примеры их применения для нагрева помещений и других целей, согласно диаграммы Линдела. Проекты более глубокого использования энергии этого теплоносителя базируются на применении теплообменников, в которых циркулируют легкокипящие теплоносители. Такие опыты производились впервые в мировой геотермии на Паратунской ГеоТЭС (800КВт).

Загрязнение окружающей среды в различных частях мира, связанное с освоением геотермальных ресурсов, вызывает большое беспокойство. Загрязнение воздушной среды повышается, если газы, такие как сероводород, попадают в воздушные слои и требуется дополнительное финансирование для решения этой проблемы. Кроме того, большинство гидротерм содержат соли и такие вещества, как мышьяк, фтор и бор, а также другие минеральные элементы. Поскольку геотермальная энергетика в настоящее время развивается вдали от больших промышленных центров, которые создают наибольшие экологические проблемы, загрязняющие выбросы её отходов не являются сейчас главной проблемой. Но, несомненно, это не служит причиной о снятии вопроса о ликвидации отработанных отходов.

Там, где геотермальные электростанции располагаются вблизи моря, обычно проблемы ликвидации отходов геотермального производства нет. Но там, где их попадание в речную сеть является реальным, то возникает проблема загрязнения пресных вод. Несмотря на малые концентрации большинства химических компонентов в гидротермах, некоторые из них могут наносить значительный ущерб окружающей среде. Так, например, бор в концентрации 2 части на миллион уничтожает растения.

Расчётами было показано на примере одной из ГеоТЭС в Южной Америке, что во влажный период наблюдается сильное разбавление отработанных гидротерм, но в сухой сезон концентрация бора могла подниматься до опасного уровня. В настоящее время в практике эксплуатации геотермальных ресурсов предусматривается всеми проектами закачка отработанных гидротерм и конденсатов с растворёнными неконденсируемыми газами обратно в водоносный комплекс. Это увеличивает стоимость электрической энергии, вырабатываемой геотермальными станциями.

Кауфман (Kaufman, 1970) рассчитал, что кроме затрат на бурение

скважин для закачки отработанных гидротерм, стоимость реинжекционной системы может составить 100 долларов на 1000 галлонов (~ 4 метрических тонны). В связи с этим стоимость киловатт-часа повышается на 3-4 тысячных долей доллара.

4. 
   . Итоги первого этапа реализации геотермальных программ на Камчатке. Негативное воздействие на окружающую среду.
   

Как уже отмечалось в разделе 1, на начальном этапе освоения геотермальных ресурсов на Камчатке был разработан проект развития геотермальной энергетики на базе Паужетских горячих (кипящих) источников на южной оконечности Камчатского полуострова, в 30 км от Озерновского рыбокомбината. Целью проекта было строительство опытно-промышленной геотермальной электростанции с установленной мощностью 5 МВт. Проект был подтверждён специальным Постановлением Совета Министров СССР и предусматривал бурение двух 500 метровых скважин роторного бурения с оборудованием промысловых площадок и применением специального противовыбросного (превенторов) и пароотделительного (сепараторов) оборудования.

Разведочная модель Паужетского месторождения горячих вод базировалась на ортомагматической концепции их происхождения. Предполагалась, что кипящие термальные источники, расположенные у борта долины реки Паужетки, непосредственно связаны с магматическим очагом и являются конденсатами магматических флюидов.

Проходка первой скважины и опытные выпуски и термометрические измерения в ней показали ошибочность предложенной разведочной модели. Оказалось, что кипящие источники располагаются в конце подземного потока гидротерм, стекающего по водоносным горизонтам (комплексам) по северо-западному склону Камбального хребта, входящего в сложную структуру одноимённого долгоживущего вулканического центра.

Длительная эксплуатация Паужетской ГеоТЭС наглядно подтвердила рациональность использования геотермальных ресурсов для получения электрической энергии на Камчатке. Не вызывает сомнений, что в отсутствии развитой инфраструктуры, в которой главным недостатком является полное отсутствие дорожной сети на Камчатке, геотермальная энергетика реализуется с большими трудностями и неоправданными непроизводительными затратами, которые ложатся тяжёлой ношей на стоимость киловатт-часа производимой ГеоТЭС электрической энергии. Отсутствие в социально-экономических программах и программах развития производительных сил на Камчатке целенаправленного строительства дорожной сети предполагает и в дальнейшем нелёгкую реализацию энергетического обеспечения на Камчатке, в том числе и за счёт геотермальных ресурсов. Кроме того, эти работы сопровождаются сильным воздействием на окружающую среду, в значительной степени усиленное безхозяйственным, а порой варварским отношением к природным объектам и экосистемам.

Однако практика эксплуатации Паужетской ГеоТЭС показала, что нарушение экологической обстановки вокруг объекта могут быть сведены к минимуму, а промысловые участки могут быть рекультивированы с созданием рекреационных зон и зон сельскохозяйственного землепользования (строительство теплиц, использование терм в животноводстве и в отопительных системах, как жилищно-коммунальных, таки производственных предприятий).

Из ущерба, нанесённого геолого-разведочными, строительными и эксплуатационными работами, следует отметить, что было погублено несколько стволов Камчатской берёзы и ольховый кустарник. Они во время опытных выпусков в атмосферу пароводяной смеси покрылись золями кремнекислоты.

Далее, за счёт понижения гидростатического уровня верхнего водоносного комплекса исчезли поверхностные термопроявления (источники Парящий 1, Парящий 2, Пульсирующий и Пятиминутка). Произошло тепловое загрязнение ручьёв Быстрого, температура которого повысилась за счёт сброса термальных вод после сепарирования на скважинах, расположенных на его бортах каньонообразной долины. В ложе стоков гидротерм с температурой около100⁰С из сепараторов вплоть до ручья отложился гейзерит.

Кроме того, от конденсаторов ГеоТЭС к реке Паужетке тянется ручей с разбавленным конденсатом. Несомненно, от этого ручья и других сточных термальных вод происходят испарения растворённых газов СО₂ и H₂S.

Наиболее ощутимым нарушением воздушной среды является шум, издаваемый расположенным на подводящем паропроводе регулятором расхода пара, в особенности в ночное время, когда потребление электрической энергии, вырабатываемой ГеоТЭС, снижается.

Несомненно, нарушением окружающей среды является выемка грунта под автомобильную дорогу, вдоль которой в настоящее время наблюдаются эрозионные процессы в поверхностном элювиально-делювиальном чехле, сложенном рыхлой пирокластикой.

Геолого-разведочные работы на Паратунской геотермальной системе, расположенной в долине реки Паратунки и её притока Карымшине, а также Больше-Банной геотермальной системе происходили не планомерно, без какого-либо единого геотермального проекта. Они должны были обеспечить ближайшие населённые пункты пресной водой. Финансирование этих исследований проводилось спорадически по статьям. Поскольку оно было недостаточным и предназначено под иные задачи, то геолого-разведочные работы оценивались не по объёмам извлекаемого теплоносителя, а по погонным метрам проходки колонковых разведочных скважин. Порочность этого способа разработки геотермальных ресурсов очевидна, так как частота расположения скважин на разведуемой гидротермальной системе необоснованно завышена и здесь ни о какой экономической целесообразности буровых работ не приходится говорить. Соответственно такому подходу к освоению геотермальных ресурсов и нанесённый ущерб окружающей среде.

В настоящее время экологический ущерб минимизировался естественным путём. После прекращения геолого-разведочных и буровых работ восстановился гидростатический уровень гидротерм в недрах гидротермальных систем. На Паратунской гидротермальной системе извлечение термальных вод производится за счёт гидростатического напора самоизливом – это наиболее щадящий режим эксплуатации подземных гидротерм низкотемпературных гидротермальных систем. Карымшинская и Больше-Банная системы в настоящее время не эксплуатируются и их источники и скважины используются для бассейнов, которые посещаются, в основном неорганизованными туристами.

Все вышеизложенные негативные замечания по разработке геотермальных ресурсов некоторых гидротермальных систем Камчатки относятся в полной мере к реализации геотермального проекта на Северо-Мутновском геотермальном поле. Поскольку первые этапы этого проекта выполнялись геолого-разведочной организацией Министерства Геологии РСФСР, которые не имели возможности использовать буровое оборудование нефтяного ряда, реальных результатов не было достигнуто. На следующем этапе были привлечены организации Министерства нефтяной и газовой промышленности и буровые работы производились тяжёлыми станками, которые достигали необходимых проектных глубин. Однако как и на первом этапе геолого-разведочных работ, подход к освоению геотермальных ресурсов Северо-Мутновской системы не отличался высокой организацией работ, элементы системного подхода в реализации геотермального проекта отсутствовали. Основным недостатком этих работ приходится считать слабую научную и экологическую проработку проекта и главной бедой - реализация его, несколькими не связанными единой программой, организациями которые, к тому же имеют разные цели. Геологические работы преследовали цель пробурить как можно больше метров проходки скважин (оплата производилась по расценкам бурения на нефть) Энергетики преследовали цель построить электростанцию на извлекаемом геотермальном паре. Инфраструктура района работ развивалась стихийно и при участии различных организаций, не связанных единым проектом. Экологическая часть проекта в проработанном виде отсутствовала. Некоторые мероприятия, такие, например, как реинжекция, находятся в стадии становления и проводятся в рамках технологического процесса реализации геотермального проекта, который определяется требованиями организации, финансирующей строительство Верхне-Мутновской ГеоТЭС.

Глава 3. Опыт реализации геотермальных проектов

за рубежом. Примеры.
На заре человеческой цивилизации геотермы использовались в виде купален в естественных термопроявлениях и горячих источников для приготовления пищи, для бань и отопления. Имеются археологические доказательства, что индейцы в Америке и айны на Камчатке (Паужетка) селились вблизи термальных источников, а индейцы восстанавливали силы после войн ещё 100000 лет назад. Во многих устных легендах описываются эти места и другие вулканические явления. Письменные описания, упоминающие использование терм, имеются в истории Древнего Рима, Японии, Турции, Исландии, стран Центральной Европы и у народа Маори в Новой Зеландии, где они использовались для бань, приготовления пищи и обогрева. Бани в Римской империи, в Срединном Царстве Китая и Оттоманской империи использовались в качестве бальнеологических лечебниц, где культ здорового тела, гигиены и обсуждение событий было ежедневным общественным событием. Этот обычай был распространён в местах локализации термопроявлений в Японии, Германии, Исландии, Австро-Венгрии, Америке и Н. Зеландии.

В древней истории известно промышленное использование геотермальных ресурсов в виде извлечения солей и минералов из гидротерм в районе Лардерелло в Италии. Серьёзная промышленная деятельность в этом районе началась после открытия борной кислоты в горячих прудах в 1777 году. Первая попытка использования этих минералов была сделана в 1810 году. С 1816 по 1836 годы было построено 9 фабрик по добыче этого сырья. Расцвет этого производства был в начале 1900 годов.

Первое международное совещание по использованию геотермальных ресурсов было проведено в Риме в 1961 году в рамках Конференции ООН по новым источникам энергии. На этом совещании обсуждались результаты разработки геотермальных ресурсов в Италии, Н. Зеландии, США и Исландии (Smith, 1964). В это время строилась электростанция в Хварагерди, а об опытной электростанции в Пате в Мексике ничего не было известно. Информация об этом была представлена в 1970 году в Пизе на симпозиуме ООН по развитию и использованию геотермальных ресурсов (Faccа, 1970). На основании этих докладов и последующих докладов, представленных на 2-ой симпозиум ООН по разработке и использованию геотермальных ресурсов в Сан-Франциско в 1975 г. (Armstead, 1975, а), ежегодных совещаний Совета по Геотермальным ресурсам (1981, 1985, 1990); Di Pippo (1981, 1985); Huttrer, (1990) и на всемирном Геотермальном конгрессе во Флоренции в 1995 (1995) и вместе с докладом, представленным на Всемирном Геотермальном Конгрессе 2000 в Японии (Huttrer, 2000), развитие геотермальной электрической энергетики представлено в таблице 6.

Мировое производство электрической энергии

на геотермальных ресурсах.

Годы	Установлення мощность ГеоТЭС, МВт	Производство электрической энергии на ГеоТЭС Млд кв час/г	Число стран,имеющих ГеоТЭС	Страны
1940	130	-	1	Италия
1950	293	-	1	Италия
1960	386	2600	4	+Н. Зеландия, Мексика, США
1970	678	5000	6	+Япония, СССР
1975	1310	-	8	+Исландия, Сальвадор
1980	2100	-	14	+Китай, Кения, Индонезия, Тур- ция, Филиппины Португалия
1985	4764	-	17	+Греция,Фран- ция, Никарагуа
1990	5832	-	19	+Таиланд, Аргентина, Австрия-Греция
1995	6797	-	20	+Коста-Рика
2000	7974	49261	21	+Гватемала, Эфиопия- Аргентина