И экологические риски геотермальной энергетики

На основании природных (геологоструктурных) условий на Камчатке выделяются следующие гидротермальные субпровинции: Северная, Срединная, Восточная, Южная провинции и провинции больших структурных депрессий (последние являются перспективными с точки зрения промышленного освоения геотермальных ресурсов).

Северная субпровинция включает 16 групп термальных источников. Среди них Тимлатские, Паланские и Русановские источники являются наиболее привлекательными для использования.

В Срединной субпровинции имеется 24 гидротермальных проявления. Среди них, Эссовские и Анавгайские источники уже используются и две высокотемпературные системы (Киреунская и Апапельская) предположительно обладают большим энергетическим потенциалом. Около одной трети всех источников расположено в Восточной супровинции. Источники, находящиеся в долине р. Налычева, наиболее перспективны для сельскохозяйственных и бальнеологических целей. Карымская, Семячинская, Узонская высокотемпературные системы и Долина Гейзеров входят в эту субпровинцию. Последние три системы находятся в границах Кроноцкого заповедника, где запрещена любая промышленная и сельскохозяйственная деятельность. И, наконец, 55 разнообразных гидротермальных проявлений, сопряжённых частично с Паужетской, Нижне-Кошелевской, Северо-Мутновской и Больше-Банной высокотемпературными системами размещаются в Южной субпровинции. Несмотря на такое обилие геотермальных ресурсов, экономика Камчатки испытывает острый недостаток энергетической и тепловой энергии.

В настоящее время хлоридно-натриевые термы с Т=80 - 100⁰С и минерализацией 1-5г/л используются для нагрева помещений в населённых пунктах (Паратунка, Паужетка, Эссо и Анавгай). Проблема теплоснабжения Петропавловска-Камчатского остаётся в фокусе постоянного внимания. Одним из возможных решений могло бы быть строительство трубопровода примерно 80 км длиной для передачи отработанных гидротерм Северо-Мутновских геотермальных электростанций. Сельскохозяйственное применение геотермальных ресурсов испытывалось на тепличном комбинате в посёлке Термальном на базе Паратунских гидротерм, площадью 60000 м². Теплицы меньшей площадью действуют в Эссо, Анавгае и Паужетке. Начинские и Нижне-Паратунские водолечебницы завершают полный список геотермальных объектов, используемых на Камчатке.

На Курильских островах прямое использование геотермального тепла развито на островах Кунашир и Парамушир для нагрева помещений (г.г. Южно-Курильск, Северо-Курильск, соответственно).

Платформенная геотермальная провинция Северного Кавказа включает несколько артезианских бассейнов. Гидротермы содержатся в многослойных водовмещающих системах, заключённых в мезо-кайназойском осадочном чехле. Термы содержат растворённые соли НСО₃,– Na или Сl – Na; их минерализация варьирует от 0.5 до 65 г/кг, температура колеблется до 80-110⁰С на глубинах 1-2 км (табл.5).
Таблица 5

Районы	Максимальное использование					Мощ- ность МВт т	Годовое использование
	Расход (kг/с)	Температура(°C)		Энтальпия кдж/кг			Расход (kг/с)	Энергия Тдж/г	КПД
		Вход	Выход	Вход	Выход
Камчатка	532	85	30			122	372	2701	0.7
Кунашир (Курильские о-ва)						20
Северо-Кавказский регион
Платформенная провинция
Краснодарский край	370	80	30			77	222	1 465	0.6
Ставропольский край	60	100	30			18	36	335	0.6
Республика Адыгея	49	80	30			10	25	162	0.5
Альпийская провинция
Республ. Кабардино-Балкария	70	70	30			2	6	33	0.5
Республика Дагестан	339	80	30			71	203	1 340	0.5
Республ.Карачаево- Черкессия	25	65	30			4	13	58	0.5.
Республика Осетия	21	60	30			3	10	41	0.5
Общее	>1 466					327	>888	>6135

Вода используется, в основном, для сельскохозяйственных и промышленных целей. В селении Мостовском Краснодарского края, термы с температурой 75⁰С используются в многоцелевой системе, включающей теплицы (180000м²), нагрев зданий (для 10000 жителей), животноводческие фермы и птицефабрику, а также изготовление бетонных блоков и сушку шерсти. И, наконец, отработанные термы 20-30⁰С используются в купальных бассейнах и рыборазводных прудах.

Альпийские краевые прогибы Северного Кавказа также содержат многослойные водовмещающие системы с аналогичными НСО₃ – Na и Сl – Na термами в мезо-кайназойских осадках. Минерализация гидротерм колеблется от 0.9-2.1 г/кг (район Ханкалы) и 3-8 г/кг (район Махачкалы) до 100-200 г/кг (район Кайзулы и Тарумовка). Температура колеблется от 70-85⁰С (район Махачкалы) до 150-170⁰С (район Кайзулы). В Дагестане термы обычно используются для нагрева помещений и других видов прямого употребления. Гидротермальными ресурсами этой республики пользуются 200000 жителей. Кроме того, на них работают теплицы в Махачкале (60000 м²) и Кизляре (20000 м²). Эти теплицы используются для выращивания огурцов и цветов. Термы применяются в животноводстве.

На конец 1999 года общее количество гидротермальных скважин для прямого использования достигло 306 на Северном Кавказе и Камчатке. Из них 200 скважин – продуктивные, 16 - реинжекционные, 90-наблюдательные. Половина извлекаемых терм используется для нагрева помещений и прямого использования, 33 % для теплиц, 12.8 % для различных промышленных процессов и 2.2% для животноводства и рыборазведения. Наконец, 2.0 % этих ресурсов используется в водообменниках и 40 заводов разлива термальной и минеральной воды.

Западно-Сибирская плита является перспективным районом для прямого использования геотермальных ресурсов. Осадочный чехол этой эпигерцинской плиты, площадь которого 3 х 10⁶ км², содержит артезианский бассейн термальных вод. По границам бассейна водоносные горизонты с высоким гидростатическим давлением, температурами 35-75⁰С и минерализацией 1-25 г/кг имеют мощность до 3 км и продуктивность 180м³/с. Однако до настоящего времени эти геотермальные ресурсы используются в очень недостаточном объёме. Гидротермами обогреваются лишь несколько небольших населённых пунктов и несколько зданий в городах Тюмень и Омск. Эти термы также используются для нагревания нефтесодержащих горизонтов с целью уменьшения вязкости нефти и увеличения добычи, и для извлечения иода и брома, содержащихся в термальных рассолах, а также для рыборазведения.

Этот регион очень богат природным газом и нефтью, которые препятствуют широкому использованию геотермальных ресурсов в настоящее время.

Имеется много термальных источников и несколько геотермальных скважин около озера Байкал и вдоль Байкало-Амурской магистрали. Эти термы используются локально для обогрева помещений, а также для бань и купален.

В системах обогрева гидротермами также могут быть использованы тепловые насосы. Успешный эксперимент этого рода был проведён в 1999 году в селе Филиппово Ярославской области. Грунт с температурой 5-6⁰С глубиной 40 м служил в качестве низкопотенциального теплового источника. Восемь тепловых насосов, изготовленных на Рыбинском инструментальном заводе нагрели до 60⁰С воду, обогревающую школу на 160 учеников. Кроме того, планируется использовать воду, нагретую тепловыми насосами, в аквапарке в Москве.

3. 
   Экономические особенности использования
   

Так, например, экономическая целесообразность строительства геотермальных электростанций характеризуется сравнительно высокими затратами на капитальное строительство. Подавляющую долю в расходной части сметы занимает финансирование строительства геотермальных скважин. Поскольку условия бурения часто зависят от плохо прогнозируемого процесса проходки ствола скважины и возможных притоков геотермального теплоносителя с почти неизвестными термодинамическими параметрами, то и стоимость конструкций скважин колеблется в широких пределах.

В литературе часто называются средняя стоимость оборудования геотермальных скважин в пределах 1-10 млн. долларов. При этом следует понимать, что средняя стоимость скважины зависит от конкретной гидротермальной системы. По-видимому, следует учитывать и развитость той или иной страны, что определяет уровень заработных плат конкретной страны, которые входят основной долей затрат.

Известно, что стоимость геотермальной скважины сопоставима со стоимостью газовых и нефтяных скважин.

Стоимость геотермального пара составляется из стоимости программы разведочного и эксплуатационного бурения и стоимости строительства паропроводов. Подавляющая часть стоимости пара определяется его эксплуатационными параметрами, которые зависят от гидрогеотермических характеристик термальных вод конкретной геотермальной системы, а также сроками амортизации, которые влияют на капитальные затраты по производству геотермального пара. В связи с этим продолжительность периодов амортизации является важной расчётной единицей, влияющей в итоге на полную стоимость электрической энергии вырабатываемой ГеоТЭС. Предполагается целесообразным включить в эти расчёты расходы на разведку в тот же период и таким образом будет оцениваться период амортизации продуктивных (эксплуатационных) скважин. При этом в расчётах должны учитываться изменения качества геотермального пара и геологические условия, которые влияют на закладываемую в расчёт продолжительность эксплуатации скважины, разные для различных геотермальных объектов, которые трудно порой сопоставить в разных странах. На первых этапах развития геотермальной энергии из-за недостаточного количества эмпирических данных, в связи с небольшой продолжительностью эксплуатации геотермальных скважин, принимались волевые решения в оценке их продуктивной активности. Кауфман (Kaufman, 1970) использовал в расчётах 20 летний период работы геотермальных скважин. Хайесида (Hayashida, 1970) считал, что они работают 10 лет, а для исландских скважин Рагнерс и другие (Ragnars et al., 1970) принимали в расчётах 7 летний период жизни геотермальных скважин. Выбор этой величины важный момент в составлении геотермальных проектов, так как продолжительность активного периода продуктивной скважины определяет экономическую целесообразность любого геотермального проекта. Опыт работы многих ГеоТЭС во всём мире на протяжении нескольких десятков лет показал, что продолжительность эксплуатации геотермальных скважин составляет десятки лет. Таким образом, срок амортизации оборудования значительно меньше, чем продолжительность жизни геотермальных скважин, в связи с чем, цена электроэнергии, вырабатываемая ГеоТЭС, падает до очень низкого уровня. Однако есть ещё значительный элемент недоверия к геотермальным скважинам, но это в большинстве случаев вызвано низким качеством конструкции геотермальных скважин. Этот факт большей частью компрометирует реализацию геотермальных проектов.

На раннем этапе развития геотермальной энергетики принимался слишком осторожный подход в оценке продолжительности жизни геотермальных скважин. Разведка геотермальных месторождений попадала в экономически невыгодные условия по сравнению с другими источниками энергии. В связи с чем, она могла никогда не начаться.

Следующая статья расходов, входящих в стоимость геотермального пара, это расходы на аренду или покупку земли, необходимой для площадок под скважины и системы паропроводов. Как показал Хаясида (Hayashida, 1970), эта часть стоимости геотермального пара зависит от минимального расстояния между скважинами, которая является функцией гидравлического взаимодействия между скважинами. Этот автор подготовил кривые, показывающие взаимосвязь между расходом скважины, расстоянием между скважинами, стоимостью земли и средней стоимостью киловатт-часа. Они показывают, что при стоимости земли 16200 долларов за гектар, при интервале между скважинами 150-200метров, для скважин средней мощностью 3 МВт, стоимость электроэнергии может увеличиться на 1.8 тысячную доллара за киловатт-час.

Колебания стоимости, обусловленные расходами на транспортирование геотермального пара, очень небольшие и состоят, в основном, из расходов на эксплуатацию скважин и паропроводов, которые в определённой степени, будут зависеть от коррозионных свойств гидротерм. Присутствие минерализации в некоторых высокотемпературных гидротермальных системах создаёт проблему отложения кальциевых минералов в скважинах, чем обусловлено уменьшение продуктивности скважин и, следовательно, продолжительности её жизни. Эти отложения можно удалять разбуриванием и частота таких ремонтных работ будет зависеть от химического состава гидротерм. Хайясида и Езима (Hayashida, Ezima, 1970) делают ссылку на эксперимент, выполненный на геотермальном поле Отаке в Японии, где производилась закачка 5000 кг соляной кислоты в скважину, заросшую кальцитом, в результате чего продуктивность её восстановилась до 100%.

Кроме того, стоимость пара может также увеличиваться в связи с необходимостью продолжать выполнение программы непрерывного бурения, нацеленную на поддержание качества и количества пара.

До начала детального проектирования электростанции необходимо рассмотреть экономически оптимальное давление пара, при котором проектируемая ГеоТЭС будет работать. Джемс (James, 1970) изучил различные факторы, входящие в эту тему. По - существу, с понижением проектируемых давлений, приходится сталкиваться с двумя противоречивыми эффектами: первый – это необходимость увеличить расход пара на турбинах, работающих при низких давлениях, а другой – заключается в том, что первый фактор побуждает извлекать большие количества пара из геотермальной системы, что приводит к снижению конечного давления в них. Используя различные базовые расходы в предполагаемых условиях геотермальных резервуаров, автор приходит к выводу, что конечное давление в скважинах с сухим паром не должно превышать 75 фунтов/кв. дюйм (~6 ати). Предполагается общий вывод, что для геотермальных полей с сухим паром, значения оптимального эксплуатационного давления не являются чувствительными к первоначальному давлению закрытого резервуара, ни к объёму вулканических пород, связанных с этим паром.

В результате изучения теоретической модели современной системы Вайракей Джеймс (James, 1970) пришёл к выводу, что оптимальное давление на турбине, преследующее максимальную продолжительность жизни геотермального поля, находится в пределах 40-60 фунтов/кв.дюйм. Оказалось, что реальный опыт Вайракея подтвердил этот теоретический вывод и был сделан расчёт стоимости для 150 МВт электростанций в Н. Зеландии.

Другим важным параметром, необходимым при проектировании геотермальных электростанций, является вакуум на конденсаторе. Увеличение давления на конденсаторе увеличивает плотность пара и допускает увеличение потока пара через турбину. Таким образом, увеличивается общий расход за счёт более высокого удельного расхода пара. Дополнительная энергия уменьшается из-за увеличения плотности неконденсируемых газов, а также из-за повышения температуры конденсации пара, который теряет охлаждающую способность. Однако возросший удельный расход пара влияет на общий расход пара. Извлекаемого из геотермального месторождения и вынуждает бурить дополнительные скважины и удлинять паропроводы, тем самым, увеличивая стоимость проекта.

Джеймс (James, 1970) рассчитал типичный проект геотермальной станции с предельными концентрациями неконденсируемых газов с точки зрения установления вакуума в конденсаторах, дающего самые низкие капитальные затраты и производство энергии. Из графика, данного в этой статье, видно, что минимальные капитальные расходы обеспечиваются колебаниями вакуума в пределах 5-10 дюймов ртутного столба. Оказалось, что на основании этих оценок, 5 дюймовый вакуум должен соответствовать полным минимальным расходам, где содержания неконденсируемых газов не превышает 25 %.

Некоторые авторы указывали на аналогичность стоимостной структуры между геотермальными и гидравлическими электростанциями. Увеличение стоимостей обоих видов энергетических систем практически нулевое. Однако не все гидроэлектростанции могут работать при высоких нагрузках, тогда как все геотермальные станции могут подвергаться перегрузкам, чтобы эксплуатировать их при очень низких ценах.

По-видимому, стоимость разведки и бурения, капитальные затраты геотермальных электростанций являются функцией как оптимальной производительности, так и периода амортизации. Поскольку значительная часть оборудования геотермальных электростанций аналогична конструкциям тепловых электростанций, то периоды амортизации того же порядка-25 лет.

Во многих работах указывается на значительные различия между геотермальными и тепловыми электростанциями, что касается их экономичности. В тепловых электростанциях имелась возможность получить впечатляющее уменьшение средней стоимости за счёт значительного увеличения мощности электростанции. Этот эффект достигался использованием очень высоких параметров пара и нескольких стадий его прогрева. Эти факторы позволили изготовлять сравнительно малые паровые турбины.

В геотермальном энергопроизводстве паровой теплоноситель обычно обладает низкими давлениями и температурами с малым перегревом или отсутствии такового. При данных условиях удельный расход пара относительно высокий, что требует увеличения размеров турбин и другого комплексного оборудования. Кауфман рассчитал, что для ГеоТЭС 80 МВт турбины будут наиболее экономичными с точки зрения их оптимальных размеров.