Тепловые насосы в технологиях утилизации тепла глубоких скважин

Уланов Н.М. к. т. н., Уланов М.Н. к. т. н.
Институт технической теплофизики НАН Украины, г. Киев


Перевод экономики страны на энергосберегающий путь развития и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является приоритетной задачей долгосрочной энергетической политики Украины. Одним из наиболее энергоемких и социально значимых секторов экономики является теплоснабжения. В этом секторе потребляется около 40% энергоресурсов, используемых в стране, из которых более половины приходится на коммунальнобытовой сектор. Сектор теплоснабжения остро нуждается в разработке мероприятий и технических решений, направленных на повышение надежности, качества и экономичности. В ноябре 2016 года вступило в силу Парижское климатическое соглашение, в соответствии с которым среднемировые темпы сокращения эмиссии СО2 должны составлять примерно 5,5% в год. Для выполнения этих требований необходима кардинальная перестройка энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого топлива, и перевод традиционных способов выработки тепловой энергии на возобновляемые и экологически безопасные источники энергии.

Существенный вклад в решение этих задач может внести широкое использование геотермальной энергии, которая образуется за счет радиоактивного распада долгоживущих изотопов содержащихся в геосферах Земли, а также перехода энергии гравитационной дифференциации в глубинных оболочках планеты в тепло, которое компенсирует его внешние потери и определяет возобновляемость геотермальных ресурсов [1]. Значительным преимуществом геотермальной энергетики является низкий уровень вредных выбросов, неисчерпаемость запасов и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Таблица 1. Использование геотермальной энергии в некоторых странах мира по состоянию на 2015 г. (как для производства электроэнергии, так и прямого использования тепла)



Подземная тепловая энергия масштабно используется в более 58 странах мира, а в некоторых из них уже свыше 100 лет для прямых технологий отопления и охлаждения жилья, а технологии непрямого использования подземной тепловой энергии существуют свыше 30 лет и в 21 стране энергию подземного тепла трансформируют в электрическую. Активно развивается геотермальная энергетика в странах ближайших соседей Украины – Польше, Венгрии, Словении [2]. В Украине разведанные геотермальные ресурсы в 20 раз больше, чем вместе взятые теплотворные полезные ископаемые (нефть, газ, конденсат, уголь, торф, древесина, растительная биомасса). Годовой потенциал геотермальной энергии эквивалентен 12 млн. т. у. т., что позволяет сэкономить 10,5 млрд. м3 природного газа. Несмотря на кажущуюся простоту и доступность использования геотермальной энергии, техническая и экологическая реализация этих технологий, является сложной научно-технической проблемой [3].

Общемировой объем инвестиций в геотермальную энергетику за последние 20 лет составил 22 млрд. долларов, большая половина из которых инвестирована частными структурами. Ожидаемые инвестиции на ближайшее 10 лет составят 18 – 20 млрд. долларов [4].

Основным фактором, сдерживающим развитие геотермальной энергетики в Украине, является высокая стоимость бурильных работ. В данной ситуации эффективным способом решения указанных проблем является извлечение геотермальной энергии путем использования существующего государственного фонда ранее пробуренных и законсервированных скважин. По приблизительным данным, в Украине существует около 20 000 добывающих, надзорных, разведывательных и других готовых скважин, из которых не менее двух тысяч содержат геотермальную составляющую.

Рис. 1. Перспективные области для развития геотермальной энергетики в Украине с существующими геотермальными скважинами


Институтом технической теплофизики НАН Украины в сотрудничестве с НАК «Нафтогаз Украины» и ОАО «Укргаздобыча» собрана и систематизирована информация о законсервированных скважинах в Полтавской, Харьковской и Львовской областях, которые потенциально могут быть использованы для извлечения геотермальной энергии. Паспортные гидротермические данные скважин показывают, что большинства из них является низкопотенциальными с температурами около 50 °С, на ряде месторождений температуры составляют 70-100 °С, а на нескольких аномальных – 120-160 °С. Геологическими исследованиями установлено, что разведанный на сегодня потенциал термальных вод Украины составляет - 27 млн. м3/сут со средней температурой 70 С. Суммарная экономия топлива по Украине, возникающая при использовании технически достижимого энергетического потенциала геотермальных источников энергии составляет 7,8 млн. т.у.т. или 6,9 млрд. м3 природного газа.

Одним из способов вовлечения в энергетический оборот низкопотенциальных геотермальных ресурсов, температурный потенциал которых недостаточен для прямой тепловой генерации в системах отопления и горячего водоснабжения, является создание систем теплоснабжения на основе теплонасосных установок парокомпрессионного или абсорбционного типа.

Сегодня в мире работает свыше 20 млн. тепловых насосов мощностью от несколько киловатт до сотен мегаватт. Тепловая мощность мирового парка тепловых насосов, по минимальной оценке, составляет 300 тыс. МВт, годовая выработка теплоты свыше 1,8 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 160 млн. т. у. т. Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения тепловых насосов [5].

Таблица 2. Суммарное прямое использование геотермальной энергии в мире по различным категориям (мощность, МВт)



К 2020 году по прогнозам Мирового энергетического комитета, доля тепловых насосов в мировом теплоснабжении составит 75%. Именно поэтому сегодня существуют масса проектов применения тепловых насосов в пищевой, легкой, горнорудной промышленности, геотермальной энергетике и др. Но для выбора конкретного, наиболее эффективного типа теплового насоса и соответствующей технологии следует учитывать особенности их конструкции, области применения, требований экологии.

Введенные из эксплуатации скважины могут быть использованы для извлечения геотермального тепла путем различных технологий: фонтанной, циркуляционной и односкважинной. Схемы этих технологий приведены на рис. 2.

Рис. 2. Основные технологии извлечения геотермального тепла с помощью тепловых насосов
1 – водоем, 2 – насос геотермальной воды, 3 – тепловой насос, 4 – питающая скважина, 5 – скважина обратной закачки, 6 – скважинный теплообменник


При фонтанной технологии горячая вода подается к испарителю теплового насоса, где происходит передача тепла быстро испаряющемуся хладагенту, пары которого сжимаются компрессором и направляются в конденсатор теплового насоса, где конденсируются при более высоком давлении, отдавая тепло воде циркулирующей в системе отопления здания. Охлажденная термальная вода сбрасывается в водоем или на рельеф. Эффективность работы теплового насоса по этой технологии повышается летом, когда тепловой насос работает в режиме холодильной машины. Фонтанная технология применима лишь в небольшом числе случаев из-за нерешенности проблем экологической безопасности – сброса отработанных термальных вод на рельеф, которые должны быть или пресными, или слабоминерализованными. Такие термальные воды составляют малую часть разведанных запасов.

Циркуляционная технология. Дальнейшее развитие освоения геотермальной энергии возможно с использованием технологии геотермальных циркуляционных систем. Эти технологии предусматривают извлечение термальной воды на поверхность, отбор тепла из нее и обратную закачку воды в пласт. Такой метод резко повышает потенциальную роль ресурсов глубинного тепла Земли, т.к. извлекается практически все тепло подземных вод, а также часть тепла водовмещающих горных пород. Кроме того, циркуляционная технология позволяет получить дополнительный технико-экономический эффект, за счет поддержания пластового давления, в результате чего может существенно увеличиться производительность скважин. Негативной стороной этой технологии является ее более высокая капитало- и энергоемкость. Обратная закачка термальной воды в пласт с поддержанием пластового давления в 2 – 3 раза дороже фонтанной технологии. Кроме того, закачка отработанной, а, следовательно, более холодной термальной воды приводит к постепенному охлаждению пласта и снижению со временем теплового потенциала термальной воды.

При односкважинной технологии извлечение геотермального тепла происходит за счет его извлечения с помощью теплообменника встроенного в скважину вдоль центральной оси колонны. Скважина оборудуется насосом для циркуляции теплоносителя подаваемого в пространство между колонной и теплообменником. Теплоноситель нагревается от горных пород и по трубе теплообменника поступает в испаритель теплового насоса, где процесс передачи тепла происходит так как и при фонтанной технологии, только охлажденный теплоноситель насосом подается в межтрубное пространство скважины и процесс повторяется. Такая технология в последнее время стала применятся в Германии, Швейцарии и других странах, благодаря ее эффективности и существенном сокращении капиталовложений в систему теплосбора [6]. По данным немецкого рынка при сравнении этой технологии с технологией геотермальной циркуляционной системой стоимость тепловой энергии будет на 20% ниже.

Примером геотермальной теплонасосной системы теплоснабжения может стать г. Самбор, Львовская область. В настоящее время теплоснабжение потребителей в г. Самбор в основном осуществляется от 9 котельных суммарной тепловой мощностью 42,6 Гкал/час с температурным графиком 95/70 С. Топливом для этих котельных является природный газ. С целью перевода теплоснабжения г. Самбор на местный геотермальный ресурс предлагается создать экологически чистую геотермальную систему теплофикации с теплонасосной станцией, обеспечивающей нагрев сетевой воды в отопительный период до 95 0С и максимальное использование теплового потенциала геотермальной воды. В с. Пыняны расположением в 5 км от города Самбор имеется геотермальная скважина глубиной 2000 м и дающей на изливе 207 м3/сут. термальной воды с температурой 95 С и минерализацией 48,6 г/дм3. В случае прямой утилизации тепла геотермальной воды через теплообменник для целей отопления и горячего водоснабжения, количество полученной при этом тепловой энергии составит 0,17 Гкал/ч, это объясняется маленьким дебитом существующей скважины. С целью повышения теплопроизводительности системы предложена каскадная система теплонасосной станции позволяющая максимально утилизировать тепло геотермальной воды. Принципиальная схема тепловой станции представлена на рис. 3.

Станция имеет три контура: контур геотермальной воды; контур циркуляции промежуточного теплоносителя; контур системы теплоснабжения г. Самбор.

Геотермальная вода с этого месторождения с температурой 95 0С по трубопроводу поступает в теплообменник-утилизатор теплонасосной станции где охлаждается циркуляционной водой до температуры 10-15 0С и сбрасывается в зависимости от минерализации на рельеф пруд-отстойник. Геотермальная вода таким образом отделена от промежуточного теплоносителя или закачивается в приемную скважину циркуляционного контура, который в теплообменнике-утилизаторе нагревается до 40-45 0С. Затем промежуточный теплоноситель поступает в испарители последовательно включенных тепловых насосов, число которых определяется их техническими характеристиками.

Рис. 3. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения г. Самбор с использованием тепловых насосов
1 – геотермальный теплообменник, 2 – циркуляционный насос, 3, 4, 5 – тепловые насосы, 6 – сетевой насос, 7 – пиковая котельная


Выводы
  1. Использование геотермальной энергии на значительной части территории Украины технически возможно и экономически целесообразно, а масштабы добычи ее должны обеспечить значительную долю в топливно-энергетическом балансе страны. Годовой потенциал геотермальной энергии эквивалентен 12 млн. т. у. т., что позволяет сэкономить 10,5 млрд. м3 природного газа.
  2. Разработаны технико-экономические обоснования систем теплоснабжения использующих тепло глубоких скважин, в частности для г. Самбор, Львовской области предложенная теплонасосная установка позволяет в 5,5 раза повысить теплопроизводительность системы по съему теплового потенциала с геотермальной воды для целей отопления и горячего водоснабжения.
  3. ИТТФ НАН Украины совместно с НАК «Нафтогаз Украины» и ОАО «Укргаздобыча» систематизировали сведения о законсервированных скважинах в Украине, которые потенциально могут быть использованы для извлечения геотермальной энергии. Геологическими исследованиями установлено, что разведанный на сегодня потенциал термальных вод Украины составляет - 27 млн. м3/сут со средней температурой 70 0С.
  4. В ИТТФ НАН Украины предложены технические решения и разработаны методики расчета односкваженных теплонасосных систем теплоснабжения с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя.

Литература
  1. Гнатусь Н.А., Хуторской М.Д. Тепло «сухих» горных пород» - неисчерпаемый возобновляемый источник энергии. Литология и полезные ископаемые, 2010, №6, с. 1 – 9
  2. Свалова В.Б. Геотермальная энергетика. Проблемы развития. Материалы Международного конгресса «Возобновляемая энергетика XXI век: энергетическая и экономическая эффективность», Москва 13 – 14 октября, 2016, с. 33 – 38
  3. Лимаренко А.Н., Тараненко О.О. Экологические последствия получения и использования геотермальной энергии в Украине. Технологический аудит и резервы производства, 2015, №3/1 (23), с. 4 – 7
  4. Михайлюк А.Л., Калашников А.Е. Энергетическая безопасность Украины в Черноморском регионе. Аналитический доклад. Одесса, Феникс, 2011, 55 с.
  5. John W. Lund and Tonya L. Boyd. Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide review. Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne, Australia, 19-25 April 2015, р. 31
  6. Калинин М.И., Баранов А.В. Метод расчета глубинных теплообменников для односкваженной технологии геотермального теплоснабжения. Разведка и охрана недр, 2003, №6, с. 53 – 60


Содержание номера №2-2017