Главная
Статьи
Мероприятия
Новости
Партнеры
Авторы
Контакты
Вакансии
    Рекламодателям    
    Архив    
         
         
         
 
  return_links(1); ?>
 

Журнал "Мировая энергетика"

Архив Статей

Январь 2009 г.

 
    return_links(1); ?>   return_links(1); ?>   return_links(); ?>  
     
 

Тепло земли согреет малые города

 
   

Постоянно растущий мировой спрос на энергию, сокращение прироста добычи и производства относительно дешевых традиционных видов топлива стимулирует вовлечение в энергетические балансы новых и возобновляемых видов энергии.

 

 
 

Николай ГНАТУСЬ,
член научного совета РАН по проблемам геотермии, д.т.н., профессор
Александр НЕКРАСОВ,
советник РАН, д.э.н., профессор
Светлана ВОРОНИНА,
старший научный сотрудник Института народнохозяйственного прогнозирования РАН, к.т.н.

 
 
Одним из перспективных направлений использования нетрадиционных источников энергии является извлечение ее из петрогеотермальных ресурсов твердых горячих пород земных недр. В России на глубине 4 - 6 км такие массивы с температурой 100 - 150°С распространены почти повсеместно, а с температурой 180 - 200°С - на довольно значительной части страны. Этих температур достаточно для отопления и горячего водоснабжения различных категорий потребителей. Производство электроэнергии на базе глубинного тепла Земли возможно при температуре не менее 250°С при извлечении его с глубины примерно 10 км, а в зонах аномально высоких температур - и с меньших глубин.

Технологии извлечения тепла из горячих сухих подземных коллекторов получили название Hot Dry Rock (HDR-технологии). Сегодня ими занимаются в 65 странах мира и уже успешно используют для отопления и кондиционирования воздуха во Франции, США, Японии, Германии и других странах. Для производства электроэнергии планируется использовать аномально горячие сухие породы, залегающие на относительно небольшой глубине, как, например, в бассейне Купер (Южная Австралия). Здесь на глубине 3,5 - 4,5 км обнаружены сухие породы температурой 240 - 300°С; намечается построить электростанцию мощностью более 1 тыс. мегаватт.

При извлечении тепла Земли с недостаточными для прямого использования в паровой турбине температурами предполагается использовать бинарные схемы с низкокипящими жидкостями. Но такое решение требует разработки и производства специального оборудования, что существенно удорожает строительство станций и производство электроэнергии.

HDR-ТЕХНОЛОГИИ

Пробуриваются 2 - 3 скважины до глубин с температурам и, необходимыми для теплоснабжения или производства электроэнергии. Одна скважина нагнетательная, подающая под давлением воду в зону нагрева, другие скважины эксплуатационные, по ним образующийся пар с необходимой температурой поступает на поверхность. Если естественная проницаемость раскаленного массива пород недостаточна, то осуществляется его гидроразрыв для образования подземного "котла". Методы гидроразрыва пластов и наклонного бурения скважин хорошо освоены нефтегазовой промышленностью и успешно применяются для создания петротермальных циркуляционных систем (ПЦС). Трещины, образовавшиеся в результате гидроразрыва, поддерживаются в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости. При этом потери теплоносителя в окружающий массив составляют около 1% его общего расхода.

Накопленный отечественный и мировой опыт бурения глубоких и сверхглубоких скважин показал, что сооружение ПЦС требуемых параметров вполне осуществимо, но для широкого экономичного применения HDR-технологии должны быть созданы новые бурильные и измерительные средства. При температуре на забое скважины 200 - 250°С необходимые для обеспечения параметров пара при производстве электроэнергии традиционные породоразрушающие инструменты механического действия малопригодны. Необходимы особые требования к выбору бурильных и обсадных труб, цементных растворов, технологии бурения, креплению и закачиванию скважин, измерительной технике. Однако современная отечественная буровая техника и оборудование могут работать при температурах не выше 150 - 200°С. К тому же традиционное глубокое механическое бурение скважин затягивается на годы и стоит очень дорого. Это основная причина неэкономичности сооружения глубинных ПЦС и создания петроэлектростанций (ПетроЭС).

При сооружении петротеплоснабжающих станций (ПетроТС) для обеспечения социальных и промышленных нужд потребителей от систем централизованного теплоснабжения необходимо иметь на поверхности до 150°С. Эта температура пара достигается на глубине 3 км при градиенте температур породы в 5°С/100м. Сооружение только одной такой скважины стоит в среднем около 4 млн долл. При градиенте температур в два раза меньшем потребуется скважина глубиной 6 км, а стоимость ее сооружения возрастет до 10 миллионов.

Для надежного обеспечения турбин ПетроЭС теплом необходимых параметров нужна температура до 250°С. При градиенте температур породы 2,5° С/100 м для этого должны быть сооружены скважины глубиной до 10 км. Фактических стоимостных данных для скважин такой глубины пока нет. Расчеты показали, что стоимость скважины для HDR глубиной 10 км при использовании HDR-технологии может быть равной примерно 20 млн долларов. Эти стоимостные значения в первом приближении могут быть перенесены и на отечественные условия. Стоимость бурения эксплуатационных скважин в Восточной Сибири составляет чуть более 4 млн долл., разведочных - от 7,5 до 8 миллионов.

Это означает, что сооружение ПетроТС и ПетроЭС на базе существующих способов механического бурения скважин будет неконкурентоспособным по сравнению с традиционным тепло - и электроснабжением. Поэтому задача заключается в первую очередь в создании новых способов глубинного бурения, существенно удешевляющих этот процесс.

Для преодоления технических и экономических трудностей и создания на основе российских высоких технологий новых технических средств для глубокого проникновения в недра земной коры группа российских ученых и специалистов разработала несколько вариантов буровых снарядов (БС), являющихся отечественным "ноу-хау". Аналогов в мировой практике у них нет. Скорость бурения твердых пород (средняя плотность 2500 - 3300 кг/м3) одного из первых буровых сна рядов (БС-01) составляет до 30 м/ч, что на порядок выше, чем при традиционном механическом бурении. Это резко сокращает время бурения и существенно уменьшает стоимость ПЦС. Другой разрабатываемый буровой снаряд характеризуется еще более высокими значениями эксплуатационных показателей.

Буровой снаряд БС-01 прошел заводские испытания. Используя его, можно пробурить скважины диаметром 200 - 500 мм и получить тепловую производительность ПЦС в 200 Гкал/час.

Производительность одной ПЦС из двух скважин достаточна для подачи пара турбинам ПетроЭС в объеме 83,3 Гкал/ч при средней температуре 250°С. Суммарная рабочая мощность ПетроЭС может достигать 25 МВт. Она комплектуется отечественными турбинами мятого пара. Для обеспечения потребителя теплом могут использоваться ПетроТС, которые при средней температуре 150 "Сбудут иметь единичную тепловую мощность 50 Гкал/час.

Предпроектные проработки позволили оценить инвестиционные затраты в ПетроЭС и ПетроТС и приближенно определить удельные капиталовложения и себестоимость электроэнергии и тепла (в ценах 2007 г.). Они складываются из затрат в буровой комплекс, сооружение ПЦС, электростанции, теплообменников, системы водоснабжения. Наземные сооружения после завершения строительства в контейнерном виде займут примерно 0,5 га. Затраты по их эксплуатации будут главным образом зависеть от размера амортизационных отчислений.

Капиталовложения в буровой комплекс, состоящий из тяжелой буровой установки и бурового сна ряда в комплекте БС-01, оцениваются в 940 млн руб. Ресурс его работы - 2000 км, срок службы - 10 лет. Часть капиталовложений в буровой комплекс, приходящаяся на одну ПЦС, оценивается пропорционально суммарной длине скважин. При средней глубине каждой из двух скважин в 10 км она составит 9,4 млн руб., при 5 км - 4,7 млн руб.

Капиталовложения в циркуляционную систему с гидроразрывом горячей породы (сооружение двух скважин и сопутствующих устройств) оцениваются в 300 млн руб. при средней глубине скважин 10 км и суммарной длине 20 км. Уменьшение глубины сокращает капитальные затраты в ПЦС до 230 млн руб. при образовании подземного "котла" на средней глубине 5 км при суммарной длине скважин 10 км. Если гидроразрыв не потребуется, то инвестиции в ПЦС сокращаются, соответственно, до 280 и 210 млн рублей.

Электростанция мощностью 25 МВт в контейнерном исполнении "под ключ" оценивается в среднем в 400 млн руб. Уточнение ее стоимости будет зависеть от числа и типа установленных турбин. Срок службы ПЦС и электростанции рассчитан на 30 лет.

При скорости работы бурового снаряда БС-01 30 м/час время, необходимое для бурения двух скважин глубиной по 10 км, включая все технологические остановы и переналадки, составит примерно один месяц.

На настоящем этапе разработки проекта капиталовложения в ПетроЭС и ПетроТС могут быть определены только приближенно, с учетом величины неопределенности примерно в 25%. Поэтому в экономически наиболее тяжелом случае, при градиенте температур породы 2,5°С/100 м, для ПетроЭС (две скважины по 10 км) и ПетроТС (две скважины по 6 км), суммарные капиталовложения, соответственно, достигают о коло 885 и 232 млн руб., а в удельном исчислении - около 35500 руб./кВт и 4640 тыс. руб./ (Гкал./час).

При уменьшении глубины скважин ПЦС, например, в 2 раза капиталовложения снижаются на 15 - 20%. Если не требуется проведение гидроразрыва горячей породы, то капиталовложения могут быть уменьшены на 5 процентов.

В формировании себестоимости электроэнергии и тепла основными факторами являются расход электроэнергии на собственные нужды (с.н.) ПетроЭС и амортизационные отчисления.

Для ПетроЭС с установленной мощностью 25 МВт и годовом числе часов ее использования 5000 выработка составит 125 млн кВтч. При этом отпуск электроэнергии будет меняться в зависимости от глубины скважин ПЦС. Он составит 110,4 млн кВтч в год при средней глубине скважин 10 км (с.н. 11,75%) и 115,4 млн кВтч при глубине скважин 5 км (с.н. 10,1%).

Расход электроэнергии в ПетроТС связан с годовым объемом отпуска тепла и глубиной его извлечения. Расход тепла на отопление и вентиляцию в разных климатических условиях регионов России имеет широкий диапазон значений. Кроме того, тепло расходуется на горячее водоснабжение населения и социальные нужды. В средней полосе страны годовое использование установленной мощности ПетроТС (50 Гкал/час) может составить примерно 4800 часов. При прокачке воды на глубину 6 км расход электроэнергии составит 4,7 млн кВтч, при 3 км - 2,4 млн кВтч в год. Эту электроэнергию ПетроТС должна оплачивать или по тарифу за потребляемую электроэнергию и мощность, установленному для района ее размещения, или, в случае совместного сооружения ПетроЭС и ПетроТС, - по себестоимости ее производства, что существенно снизит затраты на отпускаемое тепло. Плата за потребляемую электрическую мощность ПетроТС в этом случае не предполагается.

Основная часть затрат в производстве электроэнергии и тепла, получаемых от традиционных тепловых энергетических установок, связана со стоимостью сжигаемого топлива. В отличие от них, у петроэлектростанций основную часть затрат формируют амортизационные отчисления. Для ПетроЭС при глубине скважин 10 км суммарная амортизация всех составляющих капиталовложений равна 30,3 млн руб., а для ПетроТС при глубине скважин 6 км - 8,2 млн руб. в год.

На данной стадии технико-экономических расчетов пока отсутствуют показатели ряда составляющих годовых эксплуатационных затрат. Поэтому для приближенной оценки их суммарной величины можно использовать примерную долю амортизации в годовых затратах. В расчетах условно принято, что амортизационная составляющая в затратах при производстве электроэнергии может быть 50 - 70%, а тепла - 65 - 85%. Очевидно, что при более высоком уровне этих долей годовые объемы затрат и, соответственно, себестоимость энергетической продукции будут уменьшаться. (Здесь авторы, по-видимому, имеют в виду, что доля амортизации может изменяться в ту или другую сторону (при одних и тех же капитальных вложениях) из-за более высокого или более низкого уровня эксплуатационных издержек (расхода электроэнергии на с.н., зарплаты персонала, затрат на ремонт оборудования). - Прим. ред.)

Себестоимость отпущен ной электроэнергии ПетроЭС при получении тепла с глубины 10 км и гидроразрыве породы в случае амортизационной составляющей в 50% будет равна 0,55 руб./кВтч, а при глуби не скважин в два раза меньшей - 0,46 руб./кВтч. Если доля амортизации в себестоимости окажется на уровне 70%, что более вероятно, то себестоимость электроэнергии снизится соответственно до 0,39 и 0,33 руб./кВтч. Полученные оценки диапазона значений себестоимости электроэнергии от ПетроЭС вполне сопоставимы с себестоимостью электроэнергии от российских тепловых электростанций, установленной Федеральной службой по тарифам. Себестоимость электроэнергии ПетроЭС кратно ниже себестоимости электроэнергии, получаемой на основе ВИЭ. При этом значения себестоимости электроэнергии ПетроЭС характеризуются высокой стабильностью, в отличие от тепловых электростанций, экономичность которых существенно зависит от динамики стоимости используемого топлива.

Себестоимость тепла, получаемого от ПетроТС при амортизационной составляющей в 65%, глубине скважин 6 км и гидроразрыве горячей породы, то есть в экономически наиболее трудном случае, будет равна 52,7 руб./Гкал, а в случае доли амортизации в 85% - 40,3 руб./ Гкал. Это намного ниже себестоимости 1 Гкал тепла, получаемой сегодня от ТЭЦ и крупных котельных, работающих на органическом топливе. При меньшей глубине скважин ПЦС и отсутствии гидроразрыва себестоимость тепла будет ниже приведенных значений.

Выполненные расчеты показали, что по экономическим характеристикам использование глуби иного тепла Земли в российских условиях является вполне обоснованным новым направлением в теплоэнергетике. Опытно-промышленные работы по отечественному способу применения HDR-технологии предполагается начать в 2009 г., с тем, чтобы накопить фактические результаты имеющихся разработок в условиях разных регионов страны.

Применение уже первого бурового комплекса БС-01 указанных выше параметров позволяет его использовать в широком круге задач. Во-первых, из одного места с помощью наклонного бурения может быть пробурен куст скважин (8 стволов) для организации четырех ПетроЭС, размещаемых крестообразно, суммарной мощностью 100 МВт. Здесь же, но на меньшей глубине, аналогично могут быть размещены четыре ПетроТС (8 скважин) суммарной мощностью 200 Гкал/ч. В результате могут быть созданы узлы электро - и теплоснабжения разной мощности и конфигурации, достаточные для обеспечения дешевой энергией городов, промышленных узлов и других территориальных образований. Это позволяет резко повысить эффективность сооружения ПетроЭС за счет сокращения времени на монтаж/ демонтаж и перемещение бурового комплекса для сооружения ПЦС.

Во-вторых, развитие петротеплоэнергетики позволит кардинально решать экологические проблемы, так как отсутствует сжигание топлива и, следовательно, нет вредных выбросов в атмосферу, загрязнения почвы и водоемов.

В-третьих, развитие петротеплоэнергетики позволяет высвободить топливные ресурсы, расходуемые на производство электроэнергии и тепла. Сегодня на эти цели направляется 420 млн ту. т. или около 43% всех потребляемых в стране энергоресурсов. Замещаемые глубинным теплом Земли топливные ресурсы могут более рационально использоваться в экономике страны.

В-четвертых, снижается поток топливных грузов, высвобождаются пропускные способности газопроводов и железных дорог для других целей.

В-пятых, развитие петротеплоэнергетики даст новый импульс к созданию и развитию техники "ноу-хау" и сопутствующего ей оборудования. Это новые буровые комплексы, турбины мятого пара, электрогенераторы и другое электротехническое и теплотехническое оборудование, установки для химической очистки воды и т.д.

В-шестых, стабильно низкая стоимость электроэнергии и тепла петроэнергетических объектов позволяет решать ряд социально значимых задач.

Пока еще трудно назвать все возможные направления в экономике России, которые будут развиваться и преобразовываться под влиянием освоения раскаленных пород на глубине до 10 - 12 км земной коры в пределах суши. По имеющимся оценкам, полномасштабное извлечение этого тепла может обеспечить энергетические нужды страны на сотни лет.

В первую очередь создание и развитие петротеплоэнергетики должно быть направлено на обеспечение энергетического комфорта населения России, особенно проживающего в поселках городского типа, малых и средних городах с населением до 150 тыс. человек. Именно в этой части населенных пунктов страны ненадежное электроснабжение и во многих случаях отопление обеспечивается от низкоэффективных теплоисточников, а горячее водоснабжение отсутствует. При этом доля энергетических затрат в бюджетах населения постоянно нарастает.

Сооружение одной ПЦС тепловой мощностью 83,3 Гкал/ч позволяет полностью удовлетворить потребности в электроэнергии и тепле города с 35 тыс. жителей, включая его социально-культурные и бытовые нужды. Электрическая мощность ПетроЭС с учетом одной резервной турбины составит 18,4 МВт, а тепловая мощность теплоснабжающей части ПЦС - около 40 Гкал/ч. В этих условиях удельные капиталовложения в электрическую часть ПетроЭС будут равны примерно 1240 долл./кВт, а в тепловую - около 180 долл./(Гкал/ч) (в ценах 2007 г.). Себестоимость отпущенной электроэнергии можно ожидать в пределах 0,5 - 0,7 руб./кВтч, а тепла - 70 - 90 руб/Гкал. Для городов с большей численностью жителей потребуется раздельное сооружение ПетроЭС и ПетроТС.

Создание теплоэнергетики на базе использования тепла горячих пород Земли позволяет за счет принципиально новых решений обеспечить страну дешевыми электроэнергией и теплом при устранении существующих вредных выбросов, негативно воздействующих на здоровье людей и окружающую среду. Возможность практически неограниченного размещения петроэнергетических станций позволяет сооружать их вблизи объектов потребления энергии. Практическое освоение петротермальных ресурсов Земли будет оказывать комплексное воздействие на развитие отечественной экономики и развитие такого источника энергии в ближайшее время крайне необходимо.
 
     
     
 

Журнал "Мировая Энергетика"

Все права защищены. © Copyright 2003-2011. Свидетельство ПИ ФС77-34619 от 02.12.2008 г.

При использовании материалов ссылка на www.worldenergy.ru обязательна.

Пожелания по работе сайта присылайте на info@worldenergy.ru