Технико-экономические показатели

1
Использование и дальнейшее совершенствование различных видов
геотермальных технологий в регионах России
Кудрявцев Е.П., зам. главного инженера по геотермальной энергетике, академик МАИ.
Открытое акционерное общество «Научно-производственный центр по сверхглубокому
бурению и комплексному изучению недр Земли» ОАО «НПЦ «Недра»
Россия, 150000, г. Ярославль, ул. Свободы, 8/38, postmaster@nedra.ru
Всё большее число стран в мире понимают и начинают осуществлять конкретные
действия по внедрению технологий, использующих геотермальные возобновляемые
источники энергии (ВИЭ) для производства электрической и тепловой энергии. Анализ
зарубежного опыта в этой области показывает /материалы Всемирного геотермального
конгресса, 2010 г.), что мощности Гео-ТЭС, работающих в 35 странах мира, составляют 10
715 МВт с общей годовой выработкой 67,2 млрд кВт∙час. Наибольший прогресс в этой
области достигнут в США, Филиппинах, Мексике, Индонезии, Италии, Японии, Новой
Зеландии и Исландии.
В России концентрация наибольших ресурсов геотермальной энергии сосредоточена в
южных регионах, в западной и восточной Сибири, в том числе в отдаленных районах, куда
осуществляется завоз значительного количества нефтепродуктов за счет средств
госбюджета.
Возможности по энергообеспечению объектов различного назначения на территории
большинства регионов с использованием традиционных ТЭР и технологий являются весьма
ограниченными. К тому же стоимость основных топливно-энергетических и коммунальных
ресурсов
растет темпами,
превышающими инфляцию. Ограниченная возможность
наращивания мощностей при росте энергопотребления и цен на энергоносители становятся
тормозом социально-экономического развития страны.
В этих условиях особую актуальность приобретает задача замещения дефицитных
энергоносителей
местными
возобновляемыми
источниками
энергии,
самым
привлекательным из которых по масштабам ресурсов и возможности использования в любое
время года и суток является геотермальная энергия, в т.ч.- повсеместно распространенная и
представленная при малых глубинах залегания (до 100-200 м) низкопотенциальным теплом
грунта.
С развитием теплонасосной техники, позволяющей трансформировать
низкопотенциальное тепло до уровня потребления объектами различного назначения, во
многих странах приповерхностные геотермальные ресурсы признаны эффективными для
широкого применения.
Для использования геотермальной энергии уже существуют очень эффективные
технологии позволяющие получать тепловую и электрическую энергию.
Свыше 80 стран мира для решения подобных задач используют геотермальные технологии:
- приповерхностное геотермальное тепло грунта,
- геотермальные циркуляционные системы,
- паротермы,
- сухие горячие породы,
-использование по вторичному энергетическому и минерально - сырьевому
назначение существующего фонда скважин и т. д.
Длительное время специалисты ОАО «НПЦ «Недра» занимаются изучением
мирового опыта, проектированием и теоретическими разработками геотермальных
технологий использования приповерхностного геотермального тепла, геотермальными
циркуляционными системами, комплексным использованием гидрогеотермальных
энергетических и минерально-сырьевых ресурсов, в том числе с использованием
2
существующего фонда скважин. Что обусловлено их применимостью в
экономических условиях большинства регионов России.
геолого-
о
Рис.1. Карта приповерхностных геотермальных ресурсов до глубины 100 м территории
России
Технология, так называемых грунтовых тепловых насосов, т.е. тепловых насосов,
связанных с системой сбора низкопотенциального тепла приповерхностного грунта.
При глубине бурения скважин для сбора тепла до 100 – 200 м, используется
теплоэнергетический потенциал грунта, с обязательным условием подъема потенциала
низкопотенциального
тепла,
извлекаемого
с
помощью
мелких
скважинных
теплообменников и тепловых насосов (рис.2 и 3). Технология к настоящему времени
доведена до кондиции, обеспечивающей полную компенсацию потерь первичной энергии
потребляемой на производство электроэнергии для привода теплового насоса топливноэнергетических ресурсов – ТЭР. 1 кВт-ч электроэнергии в сочетании с теплом грунта
преобразуется в 3,5-4 кВт-ч тепла.
3
Рис. 2 Коэффициент использования первичных энергоносителей (КИПЭ)
КПД э – к.п.д. выработки электроэнергии для привода ТН; КПТН – коэффициент преобразования
ТН; индексы: Т – традиционные котельные, Г – геотермальные котельные
С
развитием
теплонасосной
техники,
позволяющей
трансформировать
низкопотенциальное тепло до уровня потребления объектами различного назначения, во
многих странах приповерхностные геотермальные ресурсы признаны эффективными для
широкого применения.
Технологическая схема, обеспечивающая использование тепла грунта совместно с
тепловыми выбросами вентиляции, показана на примере энергоснабжения коттеджа (рис. 3).
Подключение контура охлаждения, напрямую от скважин, условно не показано – в качестве
распределительной сети для охлаждения используется та же разводка трубок внутри пола.
Технология с помощью мелких скважинных теплообменников и тепловых насосов
позволяет преобразовать низкопотенциальное тепло грунта до температурного уровня,
необходимого потребителю, включая жилой сектор. Различные варианты использования
технологии позволяют обеспечить нагрузки отопления, вентиляции, кондиционирования
воздуха, технологического холодоснабжения и горячего водоснабжения потребителей и
могут сопровождаться сезонным аккумулированием теплоты и холода в системе
скважинных теплообменников (рис.3 и 4).
Опыт развития первых подобных проектов в отечественной практике положительно
оценивается и имеет тенденцию к достаточно быстрому росту. Первая в России сельская
школа, оборудованная экспериментальной теплонасосной системой теплоснабжения,
использующая низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли введена в
эксплуатацию в сентябре 1998 г. в деревне Филиппово Любимского района Ярославской
области. В настоящее время только в Центральном ФО работает более десятка фирм,
занимающихся проектированием, изготовлением тепловых насосов, монтажом теплонасосных
систем в зданиях различного назначения.
4
Рис. 3 – Схема энергоснабжения коттеджа с использованием тепла грунта и тепловых
выбросов вентиляции (режим отопления 45/30 0С, после отопительного сезона скважины
используются на охлаждение помещений).
ООО «Интпроект» на основании договора № 55-09 от 20.05.2009 г. с ОАО «НПЦ
Недра» выполнен рабочий проект энергоэффективного жилого дома на одну семью с
использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для Южного и Центрального
федеральных округов РФ.
Рабочий проект энергоэффективного жилого дома на одну семью разработан для
ускорения и поддержки исполнения требований Федерального закона от 23.11.2009 г.
№ 261 –ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о
внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Основанием для выполнения проекта является совместное решение руководства ОАО «НПЦ
«Недра» г. Ярославль и Топливно-энергетической компании ОАО «Геотермнефтегаз» г.
Махачкала направленное на решение проблем энергосбережения и использования ВИЭ в
регионах РФ (геотермальных ресурсов приповерхностного грунта и вторичных
энергоресурсов техногенного происхождения - тепла вентиляционных выбросов).
Цель проекта – выполнение рабочего проекта жилого дома для последующей
привязки в Южном (г. Махачкала) и Центральном (г. Ярославль) федеральном округах в
качестве пилотных энергоэффективных демонстрационных объектов с использованием
ВИЭ.
Участники проекта:
- ОАО «НПЦ «Недра» - общее научно-техническое руководство, рабочее проектирование
системы теплосбора тепла приповерхностного грунта и тепломеханической части
теплонасосной установки (ТНУ) теплового пункта;
- ООО «Интпроект» - рабочее проектирование архитектурной и конструктивной части,
внутреннего инженерного оборудования и сетей жилого дома, смета.
5
Технико-экономические показатели
Коттедж - Центральный Федеральный округ РФ
1.Площадь застройки
2. Строительный объем
в том числе:
надземная часть
подземная часть
3. Площадь здания
(п.5 прил.2 СНиП 2.08.01-89*)
4. Площадь дома (с летними помещениями)
в том числе:
жилая площадь
вспомогательные помещения
веранда
терраса
5. Количество этажей
в том числе:
надземной части
подземной части
6. Сметная стоимость строительства
7. Стоимость 1м2 общей площади
184,32 м2
1609,8 м3
1116,6 м3
493,2 м3
380,12 м2
394,64 м2
123,86 м2
180,3 м2
23,56 м2
27,11 м2
3
2
1
15 927 654,36 руб.
40 359,96 руб.
Процентное выражение материальных средств по инженерным сетям относительно общей
стоимости строительства здания
Примечание: Позиция 3: 9,03% - сумма предыдущих двух позиций.
6
В 2009 году по заказу НКО Фонд «Энергоэффективность» ОАО «НПЦ «Недра»
совместно с Ярославской ТПП разработано инвестиционное предложение для замены
неэффективных муниципальных котельных на традиционных энергоносителях в
Ярославской области геотермальными теплонасосными системами. В 2010 году по заказу
Департамента охраны окружающей среды и природопользования ОАО «НПЦ «Недра»
выполнена «Оценка геотермальных ресурсов приповерхностного грунта (до глубины 100 м)
на территории Ярославской области».
Приведенные примеры использования геотермальной энергии это лишь
незначительная часть из имеющихся возможностей.
Рис. 4. Принципиальная схема теплоснабжения школьного (административного) здания.
К преимуществам технологии (рис.3 и 4) относят также фактор расширения
технологических возможностей за счет использования скважин в самый теплый период года
напрямую, взамен кондиционеров, на охлаждение помещений энергообеспечиваемого
объекта и на технологическое холодоснабжение. К перечисленным главным
преимуществам рассмотренных геотермальных технологий, часть из которых
продемонстрирована на рис.3 и 4, энергоресурсосбережение - от 30 до 80%, относительно
котельных – от газовой до электрической. Следует добавить: в случае замены
предложенными технологиями действующих неэффективных электрокотельных, как
показала разработка инвестиционной программы замены бюджетных котельных в
Ярославской области, с установкой тепловых насосов высвобождается не менее 2/3
установленной электрической мощности котельных. Это особенно важно при нарастающих
с каждым годом потребностях в электроэнергии для строящихся объектов и организации
новых рабочих мест.
7
Основные параметры инвестиционного предложения по замене
неэффективных котельных в Ярославской области на грунтовые ТНС*
Инвестиционная программа
Суммарная отапливаемая
площадь,
м2
Теплопотребность
с учетом
реконструкции
объекта,
кВт
Производство
продукции**,
Гкал/год
Расчетные
инвестиции
(2009 г.),
тыс. руб.
(без НДС)
Экономия
ТЭР**, т у.т. в год
от бывшего потребления
ТЭР
Снижение вредных выбросов
(на примере
СО2),
т/год
7
12518
Приведенные к
году начала эксплуатации прямые затраты,
руб/м2
Бездисконт./
дисконтирован.
срок окупаемости,
год
1
I очередь (30 эл. котельных – кредит
2010 г.)
2
25249,3
3
3333,0
4
11255,6
5
144239,2
6
4173 - 81%
8
244
9
3,6/4,5
II очередь (106 топл.
котельных – кредит
2011 г.)
75361,5
III очередь (20 эл. котельных – кредит
2012 г.)
Всего по 156 котельным
8297,9
1103,7
3227,2
54006,9
1381
4132
308
(2013 г.)
3,3/4,2
108908,7
14276,7
48212,5
606044,4
10860
32580
-
8,5***
(2011 г.) - в 10 раз
меньше сред. затрат в эл. котельных
9840,0
33229,7
407798,3
5306 – 62%
15920
(в 2,3 раза больше,
чем при замене на
ТНС без реконструкции здания)
280
4,7/6,5
(2012 г.) – в
4 раза меньше
сред. затрат в
топл. котельных
Примечания: * Источник информации: Разработка инвестиционного предложения по совершенствованию технологии использования энергоресурсов приповерхностного (до 100-200 м) грунта
для замены неэффективных котельных на традиционных энергоносителях в Ярославской области геотермальными ТНС ( договор № 4/ 09 от 10.02.2009 между НКО Фонд "Энергоэффективность" и ОАО НПЦ"Недра") : Отчет о НИР / ОАО "НПЦ"Недра"; Руководитель Калинин М.И. – Ярославль, 2009. – 266 с.
**
С учетом введенных дополнительных услуг (ГВС + вентиляция с теплоутилизацией).
***
С учетом 1 года на замену по каждой очереди котельных
8
Технология (рис.5), на основе геотермальных циркуляционных систем (ГЦС),
состоящих из глубоких (до 1,5-4,5 км) скважин, позволяет, применяя тепловые насосы и
пиковый догрев, обеспечить высокотемпературные режимы теплоснабжения (90 оС и выше),
с тепловой мощностью от 4 до 20 МВт и более. При расстоянии между скважинами 1 км
падение температуры флюида на 1 оС происходит через 25-30 лет, что позволяет
эксплуатировать систему практически неограниченный срок.
Рис. 5. Технология теплоснабжения с использованием геотермальной циркуляционной
системы (ГЦС)
Наибольший эффект может достигаться при совместном комплексном использовании
геотермальной энергии и минерального сырья (химических и редкометальных элементов),
заключенных в естественных коллекторах подземных промышленных теплоэнергетических
вод, которые в ряде случаев именуются геотермальными водами. При этом
гидрогеологические горизонты и комплексы, содержащие подземные воды, могут
рассматриваться в качестве основных целевых гидрогеотермальных горизонтов.
9
Рис.6. Карта ресурсов гидрогеотермального теплоснабжения России
Комплексное использование местных гидрогеотермальных энергетических и сырьевых
ресурсов дает возможность создания и развития новых отраслей добывающей и
перерабатывающей промышленности в регионах. Комплексное освоение ресурсов
основывается на локальной оценке ресурсной базы
региона, с последующим
лицензированием участков недр, проектированием и строительством геотермальных
теплоэлектростанций (Гео-ТЭС) в едином комплексе с предприятиями по переработке
гидроминерального
сырья.
Поскольку
водоносные
горизонты
с
высокой
ресурсообеспеченностью распространены по всем территориям Ярославской и соседних
областей, в любой точке Ярославской области и г. Ярославля возможно обеспечить высокий
уровень освоения гидротермальных ресурсов по технологии ГЦС с использованием
термотрансформации низкотемпературного теплоносителя с помощью тепловых насосов и
пикового догрева в самые холодные периоды зимы.
В последнее время ОАО «НПЦ «Недра» совместно с рядом научно-исследовательских
и проектных организаций разрабатывает проекты одновременного получения тепловой и
электрической энергии при обработке геотермальных рассолов с целью получения
полезных минеральных компонентов с использованием существующих скважин.
Длительное время геотермальные рассолы уже используются в качестве химреагентов
в цехах водоподготовки ТЭЦ и как противогололедные материалы на автодорогах.
10
Рис. 7
Рис. 8
11
Рис. 9
Рис. 10
12
На основе существующего фонда геологических скважин и вовлечения в
хозяйственный оборот нетрадиционного гидроминерального сырья,
возможна
разработка инвестиционных предложений и принципиальных технологических схем
производства тепловой и электрической энергии, хозяйственно-питьевой и
технической воды для горячего и холодного водоснабжения различных потребителей,
получения многих видов химической и редкометальной продукции, строительных
материалов.
Огромное значение для энергетики будущего имеет извлечение тепловой энергии,
заключенной в «сухих» горных (горячих) породах, - петротермальных ресурсов. Эта энергия
составляет около 99% от общих ресурсов подземного тепла. На глубине до 5-6 км в
активных геодинамических провинциях можно встретить массивы пород с температурой
250-3000 С. Породы с температурой 100-1500 С в этом интервале глубин развиты на
территории нашей страны почти повсеместно. При таких температурах утилизация
петротермальных ресурсов для целей энергетики и, особенно, теплоснабжения становится
реальной и рентабельной.
Рис. 11
Технология использования тепла сухих горячих пород (Рис. 11).
В процессе бурения скважин в кристаллических породах Кавказа, в молодых гранитах,
около г. Тырныауз была пробурена скважина глубиной 4 км с полным отбором керна.
Оказалось, что на глубине 4 км температура пород более 200 о С.
По договоренности с Тырнаузским горным комбинатом было решено пробурить
вторую скважину для создания циркуляционной станции для отопления жилых
13
микрорайонов города. Для этого из первой скважины была пробурена наклонная скважина,
сделан гидроразрыв пород на глубине 3,5 км с использованием агрегатов высокого
давления. Научные результаты получены, но дальнейшие работы были остановлены из-за
отсутствия финансирования.
Изучение мирового опыта, оценка энергетической и минерально-сырьевой
ресурсной базы, проведенные НИОКР позволяют рассматривать геотермальную
энергию, как наиболее перспективный для массового распространения вид ВИЭ.
Геотермальную
энергетику,
как
отрасль
наиболее
безопасного,
энергоресурсосберегающего,
экологически
благоприятного
и
автономного
обслуживания объектов самого широкого спектра мощностей и назначений (от
коттеджа - до многоэтажного здания, отдельного поселка, городского микрорайона
или города).
Эффективность выполненных ОАО «НПЦ «Недра» научно-исследовательских и
проектных работ заключается также в том, что ее результаты могут использоваться в
качестве методологического и практического руководства для составления региональных
программ, по широкому вовлечению местного возобновляемого, экологически
благоприятного и общедоступного геотермального источника энергии в топливноэнергетический баланс России.
Тезисы доклада: « Использование и дальнейшее совершенствование различных
видов геотермальных технологий в регионах России»
Для использования геотермальной энергии уже существуют очень эффективные
технологии позволяющие получать тепловую и электрическую энергию.
Свыше 80 стран мира для решения подобных задач используют геотермальные технологии:
- приповерхностное геотермальное тепло грунта,
- геотермальные циркуляционные системы,
- паротермы,
- сухие горячие породы,
-использование по вторичному энергетическому и минерально - сырьевому
назначение существующего фонда скважин и т. д.
Длительное время специалисты ОАО «НПЦ «Недра» занимаются изучением
мирового опыта, проектированием и теоретическими разработками геотермальных
технологий использования приповерхностного геотермального тепла, геотермальными
циркуляционными системами, комплексным использованием гидрогеотермальных
энергетических и минерально-сырьевых ресурсов, в том числе с использованием
существующего фонда скважин. Что обусловлено их применимостью в геологоэкономических условиях большинства регионов России.
На основе существующего фонда геологических скважин и вовлечения в
хозяйственный оборот нетрадиционного гидроминерального сырья,
возможна
разработка инвестиционных предложений и принципиальных технологических схем
производства тепловой и электрической энергии, хозяйственно-питьевой и
14
технической воды для горячего и холодного водоснабжения различных потребителей,
получения многих видов химической и редкометальной продукции, строительных
материалов.
Изучение мирового опыта, оценка энергетической и минерально-сырьевой
ресурсной базы, проведенные НИОКР позволяют рассматривать геотермальную
энергию, как наиболее перспективный для массового распространения вид ВИЭ.
Геотермальную
энергетику,
как
отрасль
наиболее
безопасного,
энергоресурсосберегающего,
экологически
благоприятного
и
автономного
обслуживания объектов самого широкого спектра мощностей и назначений (от
коттеджа - до многоэтажного здания, отдельного поселка, городского микрорайона
или города).
Эффективность выполненных ОАО «НПЦ «Недра» научно-исследовательских и
проектных работ заключается также в том, что ее результаты могут использоваться в
качестве методологического и практического руководства для составления региональных
программ, по широкому вовлечению местного возобновляемого, экологически
благоприятного и общедоступного геотермального источника энергии в топливноэнергетический баланс России.