С.В. АЛЕКСЕЕНКО�академик РАН, �Институт теплофизики СО РАН

Видеолекция «КЛАССный ученый»

СО РАН, г. Новосибирск,

21 октября 2021 г.

Перспективы развития геотермальной энергетики

​

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Фундаментальная роль энергетики

ЭНЕРГЕТИКА – базис экономики любой страны вне зависимости от технологического уклада.

​

Развитие цивилизованного общества связывают с достижениями науки и технологий. При этом, фундаментальная роль отводится энергетике. Более того, именно масштабом освоения энергии определяется уровень технологического развития цивилизации. Поэтому научные достижения невозможно рассматривать в отрыве от состояния энергетических технологий.

Однако сегодня в обществе возникла беспрецедентная ситуация, когда необходимо безотлагательно принимать принципиальные решения по дальнейшему развитию мировой энергетики.

Парижское соглашение

• Рост температуры связывается с глобальным потеплением, основной причиной которого считаются выбросы парниковых газов – прежде всего, CO₂.
• Полагается, что антропогенная эмиссия CO₂ играет ключевую роль, а главным виновником антропогенных выбросов объявлена энергетика на органическом топливе.
• При выполнении требований Парижского соглашения структура мировой энергетики в ближайшие десятилетия должна претерпеть радикальные изменения в результате вытеснения угля и замещения его газом и безуглеродными источниками.
• Потребуется ввести не менее 20 000 ГВт ВИЭ до 2100 г. (а это в 20 раз больше суммарной мощности электрогенерации США).
• Ряд стран заявил о готовности перейти к безуглеродной энергетике уже к 2050 г.

21-я Всемирная конференция по климату (Париж, 30 ноября-12 декабря 2015)

• Принимали участие лидеры 195 стран мира.
• 186 стран до конференции представили добровольные обязательства по сокращению эмиссии парниковых газов.
• Подписано Соглашение, конечной целью которого является не допустить повышения температуры на 2°C до конца XXI столетия.
• Соглашение вступило в силу 4 ноября 2016 г.
• Россия ратифицировала соглашение 23.09.2019 г. с обязательствами к 2030 г. не более 70% выбросов парниковых газов от уровня 1990 г.

МГЭИК (IPCC)

Изменение глобальной температуры поверхности Земли

ºC

Изменения температуры, связанные с парниковыми газами, аэрозолями, озоном и изменениями в землепользовании (коэффициент отражения в землепользовании), солнечными и вулканическими факторами и внутренней изменчивостью климата.

ºC

Наблюдение

Парниковые газы

Аэрозоли

Солнце, вулканы

Внутр. изменчивость

2020 г.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) является ведущим международным органом по оценке изменения климата. Она была учреждена Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) и Всемирной метеорологической организацией (ВМО) в 1988 году.

В августе 2021 г. вышел Доклад Рабочей группы I, как часть 6 оценочного доклада, объемом 4 тыс. стр.

�

Сценарий MIT

Coal CCS

Coal

Gas CCS

Gas

Nuclear

Hydro

Wind & Solar

Morris et al. // Climate

Change Economics, 2021

CCS is ‘carbon capture and storage’

2C Base scenario of MIT EPPA model

Типичное увеличение затрат на электроэнергию для угольных электростанций составляет 60% при снижении выбросов CO₂ на 95%. Для газовой электростанции типичное увеличение составляет 40% при сокращении выбросов CO₂ на 90%.

EPPA - это вычислимая общая равновесная многорегиональная, многосекторная рекурсивно-динамическая модель мировой экономики.

Сценарий 2C означает стабилизацию средней температуры атмосферы на 2°C выше уровня доиндустриальных лет с вероятностью 66%.

2C Base scenario приводит к совершенно иному сочетанию электроэнергии, чем в Reference scenario, а также к меньшему общему производству (примерно на 30% меньше в 2100 году). К 2100 году на CCS приходится почти 40% мирового производства электроэнергии. Конечная глобальная генерация в 2100 году составит около 13% coal CCS, 26% gas CCS, 19% nuclear, 14% hydro, 23% wind and solar, 4% biomass и менее 2% natural gas.

Biomass

Тенденции в развитии энергетики

​

Ближайшая перспектива (годы, десятилетия): Развитие экологически чистых и эффективных технологий переработки органического топлива (в частности, парогазовые установки, глубокая переработка угля).

​

Более дальняя перспектива (несколько десятков - сотен лет, но начинать надо сейчас):

Освоение ВИЭ и разработка эффективных методов преобразования и хранения энергии, включая топливные элементы. Наиболее перспективные виды ВИЭ:

• Солнечная энергия
• Геотермальная энергия с постепенным переходом на глубинное тепло (тепло сухих пород Земли на глубинах 3 – 10 км при t ≤ 350°C).

​

• Ядерная энергетика остается в числе перспективных технологий, прежде всего, имеются в виду реакторы на быстрых нейтронах. Использование управляемого термоядерного синтеза предполагается в более отдаленном будущем.

​

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Йеллоустоунский национальный парк

Алексеенко (2019)

Геотермальные источники Исландии

Алексеенко (2019)

Фумаролы (Landmannalaugar)

ГеоЭС (Reykjanes, 100 MW)

Гейзер Stokkur

Горячие источники (Seltun)

Энергия вулканов

Извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль (Исландия) 25 марта 2010

ПРИПОВЕРХНОСТНОЕ ТЕПЛО – тепло подземных источников нагретой воды

ГИДРОГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

ГЛУБИННОЕ ТЕПЛО (3 – 10 км) – тепло сухих пород с температурой до 350 °C

ПЕТРОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

ТЕЗИС:

ПЕТРОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ достаточно, чтобы навсегда обеспечить человечество энергией!

Геотермальная энергия

Схема утилизации глубинного тепла

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

Преимущества петротермальной энергетики

- Непрерывное производство энергии

- В любом месте Земли

- ВИЭ

- Нет экологических последствий

- Отсутствие эмиссии газов, в т.ч. СО₂ - Не надо хранить первичную энергию

- Не надо много земли

- Неисчерпаемый источник энергии

​

Геотермальная энергия

​

ИСТОЧНИКИ И ЗАПАСЫ ГЛУБИННОГО ТЕПЛА

Структура Земли и схема конвективных движений

4700°C

Геотермальная энергия

Средний поток тепла из Земли 50 мВт/м² (от Солнца 1 кВт/м²)

В коре Земли средний градиент температуры: 30°C/км. В Larderello: 300°C/км.

Вклад радиоактивности в коре: +30°C/млн. лет или 3 мкВт/м³.

Геотермальная энергия

Глубина 10 км

t > 250 °C

Распределения глубинных температур в США

​

МИРОВОЙ ОПЫТ ОСВОЕНИЯ ГИДРОГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА

Принц Пьеро Джинори Конти установил первую геотермальную электростанцию в 1904 году на месторождении сухого пара Лардерелло в Тоскане (Италия).

1904 г. – год рождения геотермальной энергетики.

Геотермальная энергия

Первые геотермальные электростанции в США были построены в 1962 году на месторождении сухого пара The Geysers в северной Калифорнии.

Это по-прежнему крупнейшее геотермальное месторождение в мире.

Первые современные геотермальные электростанции также были построены в Лардерелло, Италия.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия

Установленная электрическая мощность геотермальных станций в мире с 2010 по 2025 гг.

Установленная электрическая мощность и производство энергии на ГеоЭС в странах мира в 2020 г.

​

Доля геотермальной энергии в установленной мощности ВИЭ – 0,6%!

Геотермальные электростанции

G. Huttrer (2020)

Россия обладает огромными запасами геотермального тепла, энергия которого потенциально в 8 - 12 раз превышает потенциал всех их углеводородных видов топлива. При оптимальном развитии эти геотермальные ресурсы могли бы радикально изменить энергетический баланс страны.

​

МИРОВОЙ ОПЫТ ОСВОЕНИЯ ГЛУБИННОГО ТЕПЛА

ИСТОРИЯ

Идея извлечения геотермальной энергии твердых горячих пород была высказана К.Э. Циолковским в 1897 г. и более подробно описана в 1914 г. Он рассматривал нагревание воды за счет теплообмена с породами, имеющими на глубине 4 км температуру 120°C и ее циркуляцию в 2 отвесных каналах.

Первая технологическая схема геотермальной циркуляционной системы была предложена академиком В.А. Обручевым в 1920 г. в его повести “Тепловая шахта”.

1963 г. Первая ГЦС (геотермальная циркуляционная система), извлекающая тепло из пластов с естественной проницаемостью, была построена в Париже. К 1985 г. 64 ГЦС общей тепловой мощностью 450 МВт обеспечивали теплом 154 тыс. квартир.

1970 г. В Лос-Аламосской национальной лаборатории США предложена ГЦС с искусственным коллектором из вертикальных трещин, создаваемых путем гидроразрыва в монолите. Название проекта HDR (Hot Dry Rock).

В последние годы пошли по пути создания обширных резервуаров с множеством трещин, возникающих путем стимулирования естественных дефектов. Проекты типа Enhanced Geothermal Systems (EGS).

Всего было реализовано около двадцати опытных систем типа HDR или EGS, которые подтвердили техническую возможность извлечения глубинного тепла с глубин до 5,1 км.

2013 г. В США запущена первая коммерческая электростанция на базе EGS мощностью 1,7 МВт (Desert Peak Demonstration Project, Nevada).

Петротермальная энергетика

Типы циркуляционных систем

При гидроразрыве забойное давление должно в 1.8 - 2.5 раза превышать гидростатическое давление.

Стимулирование естественных дефектов

Hot Dry Rock (HDR)

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

Fenton Hill HDR (США, 1974 – 2000)

Fenton Hill HDR well configuration: (a) conceptual design, (b) actual.

R. DiPippo (2005)

Петротермальная энергетика в США

• Извлекаемые запасы геотермальной энергии в США: 50 000 годовых потреблений энергии. В 2013 г. запущена первая коммерческая станция 1,7 МВт(э). 2015 г.: 5 демонстрационных проектов EGS.
• Планы: К 2020 г. продемонстрировать возможность создания 5 МВт EGS. К 2030 г. достичь цены 6 ¢/kWh за геотермальную энергию. К 2050 г. достичь уровня 100 ГВт (!) за счет глубинного тепла (10% установленной электрической мощности в США или 40% - в России).

GeoVision: Harnessing the Heat Beneath Our Feet (2019)

​

2050:

Enhanced Geothermal Systems (EGS): 60 GW or 8.5% of total generation by 2050 (20.4% of all RE generation)

Geothermal Heat Pumps: 2 million installed vs. 28 million potential

Direct Use – EGS: 0.1GW installed vs. 320 GW+ potential

В 2020 г. в США затраты на НИОКР по

глубинному теплу составили 69 млн. $, в то время как на традиционную гидротермальную

энергетику выделено 20 млн. $, а на низкотемпературную геотермальную энергетику (куда входят бинарные станции) – всего 15 млн. $.

EGS Program Priorities:

•EGS Roadmap

•FORGE Laboratory

•EGS R&D Projects

Петротермальная энергетика в США

GTO (геотермальный оффис) также запустил свою Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE). Обсерватория станет исследовательским центром в Соединенных Штатах, который позволит ученым и инженерам разрабатывать и тестировать новые технологии для усовершенствованных геотермальных систем (EGS). Цель FORGE - ускорить передовые геотермальные исследования, которые, по завершении проекта, могут привести к воспроизводимым коммерческим путям получения EGS и росту геотермальной энергии в большем количестве регионов Соединенных Штатов.

http://energy.gov/eere/forge/forge-home

Геотермальная энергия в Исландии

Консорциум нескольких энергетических компаний реализует "Исландский проект глубокого бурения" (Iceland Deep Drilling Project - IDDP). Цель – проникнуть к обширному бассейну со сверхкритической водой при t = 400 - 600°C на глубине 4 – 5 км.

World’s First Magma‐EGS system created (IDDP-1). Superheated steam (+ HCl + SiO2 + S) at wellhead pressure of 140 bar and temperature of 450 °C at deep of 2.1 km! Potential power – up to 40 MWe.

EU Horizon 2020: 20 million Euro Research Grant on IDDP-2 well (2015). The drilling was successful and reached supercritical conditions at 4,659 m. The temperature was measured to be 427°C with a fluid pressure of 340 bars.

​

СХЕМЫ И ПРОБЛЕМЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЛУБИННОГО ТЕПЛА

Выводы из анализа Enhanced Geothermal Systems

H > 3 км

Мощность > (3 – 10) МВт t > 250 °C

Расход воды 50 – 100 кг/с

Т > 25 лет

Расстояние между скважинами 0,5 – 2 км Объем резервуара 0,1 – 0,3 км³

Требования к EGS

Выводы из анализа Enhanced Geothermal Systems

1. Высокая цена бурения (экспоненциальный рост с глубиной): 10 км – 2 млрд. руб.
2. Создание подземного резервуара с достаточной проницаемостью
3. Неопределенность и малое время жизни пары скважин
4. Падение температуры со временем (падение эффективности EGS)
5. Малый КПД извлечения тепла – (1 - 5)% от запаса
6. Необходимость наличия воды для EGS и ее потери в системе
7. Создание замкнутой циркуляционной системы (бурение последующих скважин)
8. Индуцированная сейсмичность
9. Коррозия оборудования за счет HCl, H₂S, карбонатов

Проблемы технические

Обычные скважины: в начале 500 мм, в конце 150 мм, скорость бурения до 10 м/ч.

«Микроскважины»: в начале 120 мм, в конце 50 мм, скорость бурения до 60 м/ч (1,5 км/сутки).

При размещении геофонов вдоль «микроскважины» возможен томографический мониторинг.

В результате выполнения программы DOE (2005 - 2007) были развиты и апробированы технологии для бурения «микроотверстий» :

Резонансное бурение (resonant drilling).

Разрушение абразивной струей воды (high pressure fluid enhanced cutting).

Высокоскоростное бурение (high-speed drilling, 5 000 об/мин).

Лазерное (laser drilling) and микроволновое (microwave drilling) способы бурения также были рассмотрены, но не нашли пока применения.

Бурение микроскважин (“Microholes”)

Спиральный бур

Алмазный наконечник бура

Наконечник бура из карбида вольфрама

1. Создание интеграционных программ лабораторных и полевых исследований, включая эксперимент, теорию, моделирование с целью изучения теплообмена, проницаемости, механических свойств пород и т.д.
2. Применение и развитие современных геофизических методов диагностики: глубинное микробурение с датчиками по глубине; визуализация сейсмических данных; электромагнитный мониторинг; трасерные методы
3. Взаимодействие с традиционными геотермическими системами, особенно, в сфере энергетического оборудования (ГеоЭС на сухом паре и пароводяной смеси, бинарные ГеоЭС, тепловые насосы), а также с нефтегазовой отраслью (разведка, бурение).

Некоторые рекомендации

Выводы из анализа Enhanced Geothermal Systems

​

СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА

​

t > 160 °C → ГеоЭС на сухом паре (э/э)

t > 120 °C → ГеоЭС на пароводяной смеси (э/э)� t > 70 °C → ГеоЭС с бинарным циклом (э/э) t ~ 100 °C → прямое теплоснабжение (тепло)� при низкой t → тепловые насосы (тепло)

​

Способы утилизации геотермального тепла

Одна из основных проблем использования термальных вод – их высокая минерализация, которая достигает 200 г/л (и даже 700 г/л). Главными в природных водах являются 6 ионов, к которым относятся 3 аниона - хлор Cl^-, сульфат SO₄^2-, гидрокарбонат HCO₃^- и 3 катиона - натрий Na⁺, кальций Ca²⁺ и магний Mg²⁺. В результате имеют место интенсивные процессы загрязнения и коррозии оборудования.

Однако, рассолы разных месторождений могут содержать ценные химические вещества (литий, рубидий, цезий, бром, калий и другие), которые можно извлекать в промышленных масштабах.

Абсорбционный ТН

Qп.т. = 1,2 - 1,7

Qн.п. = 0,2 – 0,7 (вода, грунт)

Qт = 1,0

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ – �основа энергосбережения (экономия топлива – до 50% )

​

Количество тепловых насосов

В мире 40 млн штук

В США 2 млн штук (28 млн к 2050 г.)

В России 140 штук

Тепловая мощность грунтовых тепловых насосов в мире – 50 ГВт.

Тепловые насосы

Абсорбционный тепловой насос мощностью 7 МВт (ИТ СО РАН; «Теплосибмаш»)

Гидропаровые и паровые циклы

Схема гидропаровой электростанции

Схема электростанции на сухом паре

Flash steam plant

Технология Flash была изобретена в Новой Зеландии. Установки с получением пара являются наиболее распространенными, так как большинство геотермальных резервуаров являются резервуарами с горячей водой. Эта установка для генерации пара находится в East Mesa, California.

Типы установок:

Single flash – 1 испаритель, Double flash – 2 испарителя, Triple flash – 3 испарителя.

Бинарная ГеоЭС

ORC эффективен при t≤ 400⁰С и мощности 1 кВт ÷ 10 МВт. В мире в эксплуатации 600 ТЭС на ORC общей мощностью 2 ГВт. Назначение: ВИЭ, тепловые выбросы.

​

Рекомендуемые рабочие тела в зависимости от температуры теплового источника: R134a, R142b, R245fa, изобутан, изопентан …

Organic Rankine Cycle (ORC)

Схема Бинарной ГеоЭС

Первая в мире Бинарная ГеоЭС

С 1972 г. основной производитель в мире установок на бинарных циклах компания ORMAT, основанная выходцами из России. Общая установленная мощность произведенных установок 1 850 МВт.

Бинарная ГеоЭС

Компания ORMAT

Паратунская ГеоЭС (1967 - 1974)

​

Разработчик ИТФ СО АН СССР

Авторы технологии: С.С. Кутателадзе, Л.М. Розенфельд (1962)

Исполнители: Петин Ю.М., Москвичева В.Н.

Впервые в мире применен бинарный цикл с фреоновой турбиной на фреоне R-12 для выработки э/э из геотермального источника: Мощность 815 кВт, t_вода = 80 °C.

Геотермальные электростанции в США

Installed Capacity (MWe)

Наибольший прирост мощностей наблюдается для бинарных станций.

​

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ

Геотермическая карта России

Западная Сибирь – самый богатый регион России по запасам геотермальной энергии. Подземные воды: Новосибирская обл.: t ≤ 39 °C; Томская обл.: t ≤ 85 °C

ГеоЭС на сухом паре

В 1967 г. на юге Камчатки была построена первая в России ГеоЭС - Паужетская ГеоЭС мощностью 5 МВт.

Сегодня:

Камчатка:

Мутновская ГеоЭС = 50 МВт

Верхне-Мутновская ГеоЭС = 12 МВт

Паужетская ГеоЭС = 11 МВт

Курилы: 2 ГеоЭС = (2.6 + 6) МВт

​

Итого: 81,6 МВТ

Мутновское геотермальное месторождение

Паужетская ГеоЭС

Гидрогеотермальная энергетика в России

Бинарная ГеоЭС (сегодня в России нет! )

Паужетская Бинарная ГеоЭС (пусковые работы с 2012 г.)

​

Разработчики: ЗАО «ГЕОИНКОМ»

Мощность: 2,5 МВт, t_вода = 120 °C,

фреон R-134a.

​

Контракт с ИТ СО РАН в 2015 г. по проблемам пуска в эксплуатацию первого в России бинарного блока.

Верхне-Мутновская Бинарная ГеоЭС (проект)

​

Разработчики: «Геотерм М»; МЭИ; ИТ СО РАН.

​

Мощность: 4 МВт, t_вода = 120 °C, фреон R-134a.

Гидрогеотермальная энергетика в России

Паратунская ГеоЭС (1967 - 1974)

​

Разработчик ИТФ СО АН СССР

Авторы технологии: С.С. Кутателадзе, Л.М. Розенфельд (1962)

Исполнители: Петин Ю.М., Москвичева В.Н.

Впервые в мире применен бинарный цикл с фреоновой турбиной на фреоне R-12 для выработки э/э из геотермального источника: Мощность 815 кВт, t_вода = 80 °C.

ИСТОРИЯ

Идея извлечения геотермальной энергии твердых горячих пород была высказана К.Э. Циолковским в 1897 г. и более подробно описана в 1914 г. Он рассматривал нагревание воды за счет теплообмена с породами, имеющими на глубине 4 км температуру 120°C и ее циркуляцию в 2 отвесных каналах, сообщающихся между собой за счет эффекта термолифта.

Первая технологическая схема геотермальной циркуляционной системы была предложена академиком В.А. Обручевым в 1920 г. в его повести “Тепловая шахта”.

Исследования по извлечению геотермальной энергии слабопроницаемого массива горячих пород на основе ГЦС (геотермальной циркуляционной системы) проводились в Санкт-Петербургском горном университете под рук. проф. Ю.Д. Дядькина и в ИТФ СО АН СССР. Монография: Дядькин Ю.Д., Гендлер С.Г., Смирнова Н.Н. Геотермальная теплофизика. СПб.: Наука, 1993.

1962 г. Предложения проф. С.Н. Назарова (Ташкент) о создании ГЦС с естественным коллектором, а затем акад. АН УССР О.А. Кремлева о создании крупных ГЦС глубиной до 6 км и мощностью несколько ГВт для Западной Сибири.

Кабардино-Балкария: Создан гидроразрыв на глубине 3,7 км при давл. 600 атм и t = 200°C.

1981 г., Ханкала: Первая в России ГЦС с естественным коллектором в песчаниках.

1970 – 1990 гг.: Кольская сверхглубокая скважина (12 260 м). 1977 – 1982 гг.: Саатлинская сверхглубокая скважина в Закавказье (8 267 м, проект 15 км).

Петротермальная энергетика в России

​

Есть все основания развивать программу петротермальной энергетики в России с учетом имеющегося потенциала и ряда имеющихся преимуществ.

Реализация подобной программы позволит получить доступ к практически неисчерпаемым энергетическим ресурсам с полной экологической безопасностью и полной независимостью от внешних факторов!

Бурить можно везде!

​

Заключение

Петротермальная энергетика в России

​

Геотермальная энергия – самый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии.

​

Задачи на уровне ключевых слов:

• Тепловые насосы.
• Бинарные циклы.
• Глубинное тепло.
• Извлечение из термальной воды ценных химикатов.
• Эффективные технологии бурения.
• Геофизические методы диагностики.

​

Общие выводы

Спасибо за внимание!

Геотермальный источник в Исландии