ИНТЕРПРОЕКТ - организатор выставок и конференций в Ярославле


Логотип выставки 'Ваше жилище'

19-я специализированная выставка

ВАШЕ ЖИЛИЩЕ

Ярославль, ноябрь 2014 г.

  Другие выставки


        о компании
        Интерпроект
        
 

Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Энергоресурсосбережение в строительстве и жилищно-коммунальном комплексе"-2005 (Ярославль, 5 - 6 октября 2005 г.):

Современные технологии теплоснабжения и опыт применения геотермальных установок

Кудрявцев Евгений Павлович, заместитель генерального директора по геотермальной энергетике; Калинин Михаил Иванович, руководитель сектора оценки и использования геотермальных ресурсов ФГУП НПЦ по сверхглубокому бурению и комплексному изучению недр Земли «Недра», к.т.н. (Ярославль)


Доклад посвящен технологиям и системам, основанным на одном из основных ресурсосберегающих и экологически безопасных источников энергии, каковым является геотермальная энергия, занимающая первое место по ресурсам среди нетрадиционных возобновляемых источников в России (1). К настоящему времени доля ее использования в топливно-энергетическом балансе страны несоразмерно мала (у нас — сотые доли процента, в ряде европейских стран — не менее 1-5%), что требует ускорения разработок по геотермальным проектам.

Оценка геотермальных технологий, применяемых в мировой практике (рис. 1), показывает, что с их помощью может быть обеспечен широкий спектр потребителей тепловой энергии: от городского микрорайона — рис. 1а, до индивидуального дома — рис. 1в. На основе геотермальных циркуляционных систем (ГЦС, рис. 1а), состоящих из дублета глубоких (до 1,5-2,5 км) скважин, применяя тепловые насосы и пиковый догрев, получают высокотемпературные режимы отопления (90оС и выше) с тепловой мощностью до нескольких десятков мегаватт (2). Технология грунтовых тепловых насосов на мелких скважинах (50-150 м, рис. 1в) соответствует среднетемпературным и низкотемпературным режимам, для коммерческих (магазины, офисы и др.) и муниципальных (школы, больницы и др.) строений и объектов ЖКХ, при мощности, обычно не превышающей 0,1-0,5 МВт. Тепловой насос обеспечивает преобразование извлекаемой из флюида или грунта низкопотенциальной энергии в тепловую энергию более высокого потенциала, необходимого потребителю (на рис. 2. это показано на примере взаимодействующего с грунтовым теплообменником теплового насоса, имеющего электрический привод компрессора). Внешняя энергия, потребляемая приводом теплового насоса, используется, в основном, на компрессию паров холодильного агента, что позволяет вместе с геотермальным теплом получить не менее 3-4 кВт полезной тепловой энергии на 1 кВт потребляемой электроэнергии. Тепловые насосы обеспечивают базовую температуру теплоносителя в сети отопления (до 50-65оС) без резервирования мощности. Пиковые значения температур (до 70-95оС) обеспечиваются за счет электрических доводчиков и аккумуляции тепла в ночное время, когда тариф на электроэнергию меньше дневного. Эффективность геотермальной установки с электрическим ТН настолько выше, в сравнении с традиционной котельной, насколько больше отношение их КИПЭ. Отсюда, экономия потребляемых энергоносителей и снижение вредных выбросов: 20-70%.

С учетом указанных экономических и экологических преимуществ, ФГУП НПЦ «Недра» выполнены технико-экономические расчеты для каждой технологии на рис. 1.

Так, по технологии ГЦС (рис. 1а), на примере Ярославской области, с потенциалом гидротермальных ресурсов около 7 млрд. т у.т., совместно с СПГГИ разработаны технико-экономические обоснования геотермальных станций применительно к пластовым водам с температурой 35-60оС: для городского микрорайона на 8300 человек и для сельского поселка (п. Медягино), где с помощью пробуренной скважины глубиной 2250 м подтверждены ожидаемые параметры кембрийского водоносного комплекса (дебит до 3000 м3 в сутки, температура флюида на забое скважины 55-56оС). Расчеты с участием специалистов из Германии (Geothermie Engineering GmbH, Neubrandenburg) показали, что при обеспечиваемой тепловой мощности от одного дублета скважин 10 МВт экономия топлива составит до 5000 т у.т. в год. Выбросы СО2 снизятся примерно на 10000 т в год. Это существенно для охраны окружающей среды и к тому же экономически выгодно при возможной продаже квот на выбросы иностранным инвесторам, заинтересованным в выполнении своих обязательств по Киотскому Протоколу, за счет инвестирования совместных проектов в России (4).

Технология глубинного теплообменника (рис. 1б) может составить альтернативу ГЦС и эффективна для решения некоторых технических и экономических проблем, связанных с размещением скважин ГЦС на значительном удалении друг от друга (0,5-1,5 км) и свойствами геотермального флюида, усложняющими его эксплуатацию (коррозионность и высокая минерализация). За счет установки в глубокой (до 2-4 км) скважине эксплуатационной колонны создают односкважинный замкнутый контур с циркуляционным насосом для прокачки обычной технической воды и с отбором тепла от пород через межтрубное пространство и колонну (рис. 1б). К достоинствам данной технологии также можно отнести возможность повторного использования, уже - по тепловому назначению, вышедших из эксплуатации или малопродуктивных, нефтяных и газовых скважин, что сокращает капиталовложения в геотермальные системы и актуально для России, имеющей огромный фонд законченных бурением глубоких скважин.

Оценка тепловых возможностей 2-х глубоких скважин в Ярославской области (Медягинской и Даниловской №11) с использованием разработанного метода расчета (5), протестированного по показателям аналогичных зарубежных проектов («Polydynamics Engineеrings», Швейцария), показала: при глубине от 2250 до 3000 м эти скважины могут обеспечить тепловую мощность от 0,3 до 0,7 МВт (с термотрансформацией извлекаемой энергии в тепловом насосе и пиковым догревом). Разработана схема снабжения теплом и горячей водой расположенного на расстоянии около 1 км от Даниловской скважины сельского поселка (п. Горушка), с использованием имеющейся здесь газовой котельной для пикового догрева. Проектные показатели при этом составили: по тепловой мощности — 0,7 МВт, по экономии топлива — до 250 т у.т. в год.

Мировой опыт создания и эксплуатации сотен тысяч грунтовых тепловых насосов (рис. 1в) показывает, что это направление обладает достаточной ресурсной базой, практически повсеместным распространением ресурсов, возобновляемостью, экологической чистотой и возможностью автономного теплоснабжения. В первую очередь, эта технология соответствует федеральным и муниципальным интересам, как источник генерации тепла для объектов социального и культурного назначения (школ, больниц, музеев, церквей и т.п.), а также — для объектов ЖКХ. Для таких объектов иногда требуется система сбора низкопотенциального тепла грунта, с количеством скважинных теплообменников (СТО) до 10 и более (рис. 4а).

Опыт действующей в течение семи отопительных сезонов первой грунтовой ТНУ для теплоснабжения сельской школы (с. Филиппово, Ярославская обл.) показал работоспособность ТНУ в автоматическом режиме, экономию энергоресурсов от 30 до 45%, рабочий коэффициент: 3,2 в течение первого месяца и около 2,2 в последующие 4 месяца отопительного сезона (6). Последний показатель уступает кондициям аналогичных установок в европейских странах. Там в последние годы среднесезонный коэффициент, под который оказывается государственная поддержка проектировщикам и производителям грунтовых ТНУ (в Германии — от 50 до 150 евро на 1 кВт установленной мощности или от 15 до 20% возвращаемых инвестиционных затрат), составляет от 3,0 до 3,8 единиц. Для совершенствования последующих геотермальных проектов ФГУП НПЦ «Недра» была проведена технико-экономическая оптимизация, включающая анализ опыта проектирования и эксплуатации ТНУ в с. Филиппово (6, 8), последних достижений по грунтовым ТНУ в Европе (7), а также — моделирование теплового поведения грунта с учетом расстояния между СТО по физико-математической модели Лундского технического университета (Швеция) (9) и — оценку конкурентоспособности различных технологических вариантов по одному из современных экономических методов (10). Это позволило выявить варианты технологии для регионов России с различными геолого-климатическими условиями, разработать техническое задание и проектно-сметную документацию на СТО с U-образными полиэтиленовыми трубками (рис. 2) и схемы энергообеспечения объектов, включая варианты с использованием в отопительный период, кроме тепла грунта, тепловых сбросов вентиляции, позволяющие обеспечить рациональную величину КПТН и КИПЭ, даже при умеренных начальных температурах грунта и параметрах климата, характерных, например, для центральных регионов России (11).

Проведенные оценки по каждой технологии (рис. 1), применительно к теплоснабжению городского микрорайона (на базе ГЦС), сельского поселка (на базе глубинного СТО), муниципального здания (на базе грунтовой ТНУ) показали (8, 11):

  • В зависимости от используемой технологии, капиталовложения в геотермальные системы находятся в диапазоне от 300 до 700 долл. США на 1 кВт установленной мощности. Наибольший показатель — у грунтовой ТНУ, однако, с учетом возможных дополнительных услуг по охлаждению помещений в летний период, за счет потенциала охлажденных в отопительный сезон скважин, этот показатель снижается не менее, чем на 100 долл. США на 1 кВт.
  • Даже если показатели, необходимые для инвестиционных предложений, выше, чем у традиционных установок теплоснабжения, за счет сниженной себестоимости тепловой энергии (в 1,5-3,0 раза) могут быть достигнуты приемлемые сроки окупаемости проектов, от 3,0 до 5,5 лет, при сроке службы систем не менее 20-30 лет. Для вариантов с тепло- и холодоснабжением сроки сокращаются в 1,5 раза относительно вариантов только с отоплением.

Проведенный анализ свидетельствует о конкурентоспособности каждой из рассмотренных геотермальных систем (рис. 1), использующих глубокие или мелкие скважины и тепловые насосы — по себестоимости тепловой энергии и окупаемости проектов.

В последнее время ФГУП НПЦ «Недра» осваивает также геотермальные проекты комплексного получения тепловой и электрической энергии, среди которых имеются варианты с обработкой геотермальных рассолов для получения полезных минеральных компонентов и по другому назначению (например, поливка дорог против обледенения).

Применение различных геотермальных установок позволит эффективно решать проблемы дефицита тепловой энергии, энергосбережения, охраны окружающей среды и повышения независимости регионов за счет возобновляемых местных источников энергии. Решение таких задач актуально, в т.ч, в связи с начатой в стране реформой ЖКХ. По экологически чистой, ресурсосберегающей технологии и автономной от поставщиков топлива схеме может снабжаться энергией широкий спектр объектов муниципальной и другой принадлежности.

Список литературы:

  1. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников в России. Коллектив авторов. Под общей ред. П.П. Безруких. СПб.: Наука, 2002. 314 с.
  2. Богуславский Э.И., Певзнер Л.А., Хахаев Б.Н. Перспективы развития геотермальной технологии. Разведка и охрана недр, N7-8, 2000, С. 43-48.
  3. Петин Ю.М., Накоряков В.Е. Тепловые насосы. Российский химический журнал, N6, Т. XLI, 1997, С. 107-111.
  4. Khakhaev B., Kalinin M., Boguslavsky E. Problems and Outlooks of Hydrogeothermal Technologies Development. Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24 April 2005 – 5 p.
  5. Калинин М.И., Баранов А.В. Метод расчета глубинных теплообменников для геотермального теплоснабжения. Разведка и охрана недр, N6, 2003, С. 53-60.
  6. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах. АВОК, N2, 2003, С. 52-60.
  7. Sanner B. Exsamples of GSHP and UTES System in Germany. Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24 April 2005 –14 p.
  8. Калинин М.И., Хахаев Б.Н., Баранов А.В. Геотермальное теплоснабжение центральных регионов России с использованием мелких и глубоких скважин. Электрика, N4, 2004, С. 8-13.
  9. Hellstrom G., Sanner B. PC-programs and modeling for borehole heat exchanger design. International Summer School of Geothermal Energy. Bad Urach, 2001, P. 35-44.
  10. Bloomquist R. G. The Economics of Geothermal Heat Pump Systems for Commercial and Institucional Buildings. International Summer School of Geothermal Energy. Bad Urach, 2001, Р. 177-191.
  11. Калинин М.И., Кудрявцев Е.П. Энергообеспечение регионов России с использованием ресурсов приповерхностной геотермии и грунтовых тепловых насосов. В сборнике докладов междунар. науч.-техн. конф. "Возобновляемая энергия: проблемы и перспективы" – Махачкала, 2005.