Солнечное излучение и геотермальное тепло для комбинированных систем энергоснабжения

Вопросам экологии и гарантированного, доступного по цене энергообеспечения малых поселений России сейчас не уделяется надлежащего внимания. Решить эту проблему поможет совместное использование возобновляемых источников энергии.

Деятельность многочисленных организаций топливно-энергетического комплекса входит в противоречие с законом РФ «Об энергосбережении», предписывающим обеспечение процессов производства, преобразования, транспортирования, хранения, использования и утилизации топливно-энергетических ресурсов таким образом, чтобы предотвращалось их исчерпание. Закон в своей основе требует снижения потерь первичных, использования вторичных и альтернативных, а также широкое вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых ресурсов.

Эти требования продиктованы, помимо прочего, тем, что на долю российских предприятий ТЭКа приходится 48 процентов выбросов вредных веществ в атмосферу, до 36 процентов загрязнений сточных вод и свыше 30 процентов вредных отходов страны.

В то же время сегодня возможный, пусть даже на отдельных территориальных образованиях, переход на энергоснабжение и производство от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) не может быть осуществлен по ряду причин. Одной из таких причин является то, что каждое из направлений возобновляемой энергетики стремится решать вопросы энерго­обеспечения в течение всего года, игнорируя климатические условия территорий. Особенно это касается использования энергии Солнца, ветра, гидроэнергии и геотермального тепла.

Автор предлагает рассмотреть возможность использования солнечного излучения и геотермального тепла как источников энергии комбинированных систем энергоснабжения в России.



Потоки света

Анализ возможностей по обеспечению потребителей дифференцированными видами энергии (летом за счет солнечного излучения, а зимой – за счет глубинного тепла Земли) показывает, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи 40-х градусов широты. Подобный факт является следствием наклона земной оси к плоскости ее орбиты. В период летнего солнцестояния в тропиках светило почти весь день находится над головой и продолжительность светового дня равна 13,5 часа, то есть больше, чем на экваторе в день равноденствия. С повышением географической широты продолжительность дня возрастает (средняя продолжительность дня в июне в Крыму равняется 15,5 часа, а в Омске – 17,2 часа). И хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40 и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до Полярного круга.

Следует подчеркнуть, что это справедливо лишь для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы промышленными отходами, характерных для многих стран мира, величины следует уменьшать. Например, для Англии 1970 х гг., до начала борьбы за охрану окружающей среды, годовое количество солнечной радиации составляло лишь 900 кВт-ч/м² вместо 1700 кВт-ч/м². В больших же городах, как правило, величина потока солнечной радиации днем меньше, чем за городом, в среднем на 10 20 процентов. А при малых высотах Солнца это различие достигает 50 процентов.

На инсоляцию влияют также и другие факторы.

Так, например, Западносибирская равнина по сравнению с Восточно-Европейской частью России получает на одних и тех же широтах больше солнечной радиации за счет увеличения прямой ее составляющей – вследствие меньшей повторяемости циклоидальной погоды, сопровождаемой облачностью.



География применения

Конечно, кроме количественного поступления солнечной энергии, на географию ее использования влияет эффективность применяемого энергогенерирующего оборудования.
Проведенные Д. М. Чудиновым и Т. В. Щукиной (статья «Использование гелиосистем для различных регионов России») технико-экономические расчеты показали, что оборудование солнечного горячего водоснабжения (коллектора) при фиксированной его стоимости и при существующем уровне эффективности успешно эксплуатируется в зоне, включающей регионы, расположенные вдоль западной и южной границ России и на побережье Дальнего Востока – вплоть до Магадана. При повышении КПД гелиосистем на 30 процентов и условии сохранения нормативного срока их окупаемости установки целесообразно применять в центральной части страны, Томской и Иркутской областях и на юге Красноярского края. Дальнейшее возрастание эффективности до 60 процентов обеспечит расширение области использования солнечного горячего водоснабжения, вплоть до северных широт (Архангельска и Якутска).

На сегодняшнем этапе из возобновляемых и вторичных топливно-энергетических ресурсов автором предлагается использовать солнечную энергию и теплоту, не использованную в термодинамических циклах для разнообразного бесперебойного энергообеспечения.

Эти технические решения призваны стать гарантом локальной экологической и энергетической безопасности и обеспечить выработку энергии пяти видов: теплоты, потока жидкости, механической и электрической энергии и холода.



Солнечные пруды

Разработанные в КБАЭ «ВоДОмет» (г. Омск) технологии использования возобновляемых и вторичных ресурсов для малых конечных потребителей энергии призваны:
– обеспечить в любое время года и любую погоду для города, села, предприятия: сохранность зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;
– обеспечивать удовлетворение физиологических потребностей человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;
– поддерживать транспортное сообщение в минимально допустимом объеме за счет выработки топлива для транспортных средств (биометана).

По экологическим показателям в сравнении с другими энергоисточниками солнечные прудовые установки и системы предпочтительнее, поскольку фактически не имеют никаких выбросов, а слабый нагрев грунта под прудом при хорошей теплоизоляции не будет намного превышать сезонных температурных колебаний от солнечной радиации.

Малая энергетика на базе солнечного соляного пруда вместе с другими устройствами и системами солнечной энергетики (плоские солнечные коллектора, солнечные электрические станции, фотоэлектрические преобразователи и т. д.) может и должна обеспечить энергией летнюю производственную деятельность малых поселений практически любых территорий средней полосы России.

Конечно, в летний период, когда повышается выработка электрической энергии на ГЭС, необходима координация работы этих производителей энергии.



Глубинное тепло

Примерно так же обстоит дело с использованием геотермальной энергии.

Качество геотермальной энергии различных источников отличается на порядок. Поэтому геотермальные месторождения в России используются в основном на Камчатке и на прилегающих к Северному Кавказу территориях.

Однако можно использовать более равномерное, практически повсеместное распределение тепла непосредственно у поверхности земли на доступных глубинах.

Например, известны данные Э. И. Богуславского по оценке приповерхностных геотермальных ресурсов Западной Сибири. При сопоставительной оценке наиболее благоприятными условиями освоения геотермальной энергии характеризуется южная часть Западной Сибири, однако температура этих ресурсов мала, и для их извлечения посредством тепловых насосов требуется высоколиквидная электрическая или механическая энергия, что не всегда экономически выгодно.

Высокие температуры тепла земли и подземных вод наблюдаются в подавляющем большинстве своем на больших глубинах от 3000 метров и более.

Однако высокая стоимость строительства скважин (от 70 до 90 процентов основных производственных фондов) накладывает свои ограничения на сооружение на базе таких месторождений геотермальных тепловых или электрических станций.

При такой доле стоимости скважин в геотермальных станциях необходимо решить как минимум три задачи:
∙ разработать новые методики выявления высокотемпературных геотермальных месторождений;
∙ разработать технологические регламенты по существенному увеличению срока эксплуатации скважин не только в годовом исчислении, но и в часах;
∙ добиться повышения эффективности использования геотермального тепла каждого конкретного геотермального месторождения с использованием местных климатических условий.



Неиспользуемые ресурсы

Необходимость разработки новых методик выявления высокотемпературных геотермальных пластов связана с тем, что подземные воды вследствие большей, чем у горных пород, теплоемкости, а также значительной подвижности могут существенно изменять структуру геотермальных полей. В частности, это относится к вертикальному движению подземных вод (флюидов).

В книге А. Р. Курчикова и Б. П. Ставицкого «Геотермия нефтегазовых областей Западной Сибири» приведены результаты расчетов изменения облика геотермальных полей больших площадей при вертикальном движении подземных вод. Из них следует, что вертикальное движение подземных вод может в некоторых случаях полностью изменить облик геотермальных полей. Приращения температур и тепловых потоков могут стать соизмеримыми и превышать нормальные характеристики геотемпературных полей.

При этом вертикальная миграция подземных вод дает гораздо меньший геотермический эффект в том случае, если площадь распространения незначительна.

Поскольку такие вертикальные движения флюидов могут наблюдаться в областях питания или разгрузки подземных вод через слабопроницаемые отложения (за счет разницы давлений в подстилающих и перекрывающих водоносных горизонтах), по тектонически нарушенным зонам, вследствие естественной конвекции в залежах нефти и газа, то их надо выявлять и использовать. Даже при их ограниченном количестве. Использование таких месторождений – залог эффективного развития геотермальной энергетики.



Изменения температуры недр

Так как все геотермальные станции мира являются наземными, этим обусловлен их существенный недостаток: поступая к турбинам по скважинам, пар или горячая вода за время транспортировки теряют до 30 процентов температуры и давления.

Поэтому для увеличения срока эксплуатации скважин практика использования геотермальных источников в России иногда включает в себя накапливание гидротеплопотенциала в летний период, когда для целей теплоснабжения используется солнечная энергия.

Обоснование такого перерыва в использовании геотермального тепла можно проиллюстрировать графиками.

Мы имеем пример графического изображения изменения температуры теплоносителя в скважинах и тепловом коллекторе, расположенном на глубине нескольких километров.

Здесь t1 (а0 – а1) и t2,3 (а0 – а2,3) – это линии (графики) изменения температуры теплоносителя при его движении в нагнетательной скважине вниз в различные периоды эксплуатации. А t1 (б1,2 – в1), t2 (б1,2 – в2) и t3 (б3 – в3) – это линии изменения температуры теплоносителя при его движении в эксплуатационной скважине вверх в различные периоды эксплуатации. При этом t0 – это график естественного изменения температуры недр по глубине для рассматриваемого геотермального месторождения. Линия а2,3 – б3 (б1,2) характеризует изменение температуры теплоносителя при его движении в коллекторе от нагнетательной к эксплуатационной скважине.

В начальный период эксплуатации скважин изменение температуры теплоносителя будет соответствовать циклу а0 – а1 – б1,2 – в1 – а0. В этот период времени массив грунта вокруг средней и нижней частей нагнетательной скважины имеет достаточно высокую температуру, и поэтому теплоноситель будет значительно нагреваться на пути к коллектору. Точка а1 смещена вправо. В то же время, поскольку средний и приповерхностный массив грунта вокруг эксплуатационной скважины имеет низкую температуру, особенно у поверхности, то точка в1 смещена влево (средние и приповерхностные слои грунта, охлаждая теплоноситель, аккумулируют теплоту, чтобы часть ее отдать потом, по мере истощения термального ресурса коллектора, теплоносителю в конце срока эксплуатации скважин).

В процессе эксплуатации скважин и выработки геотермального тепла цикл изменения температуры постепенно смещается и начинает переходить через точки а0 – а2,3 – б1,2 – в2 – а0. В этот период температура на выходе из эксплуатационного коллектора максимальна, а значит – эффективность работы самая высокая (если, конечно, дебит скважин не изменился и расход энергии на прокачку теплоносителя через коллектор резко не возрос).

При завершении эксплуатационного периода цикл изменения температуры проходит по точкам а0 – а2,3 – б3 – в3 – а0. Это период быстрого расходования запасов тепла не столько коллектора, сколько тепла, аккумулированного массивом грунта, охватывающего эксплуатационную скважину.



Условно возобновляемый

Удается ли, и насколько, восстанавливать (пополнять) геотермальные ресурсы при перерывах в работе скважин в летний период, однозначного ответа мы можем и не получить, так как глубинный массив грунта вокруг нагнетательной скважины безусловно будет прогреваться, а верхний остывать. В то же время нижний массив грунта вокруг эксплуатационной скважины может или повысить, или – вероятнее всего – понизить температуру, а верхний – понизить ее за счет рассеивания тепла в удаленные от скважины области. Здесь большое значение имеет наличие артезианских вод на глубинах 1 1,5 км, их температура и подвижность. Кроме того, сам коллектор, отделенный от нижнего и верхнего горизонтов теплоизоляционными слоями глины, может не получить ожидаемого (требуемого) количества тепла.

Приведенное на рисунке распределение температур недр получено решением уравнения теплопроводности по неявной схеме для следующих исходных данных: глубина нейтрального слоя 25 м, температура нейтрального слоя 3 С, глубина залегания эксплуатируемого коллектора 3 км, мощность коллектора 300 м, начальная температура пород 250 С, минимальная температура природного комплекса (в окрестности нагнетательной скважины) 65 С, период установления минимальной температуры 1 год, продолжительность эксплуатации комплекса 10 лет, максимальная глубина расчета температур 6 км.

Результаты расчета показывают, что если в период эксплуатации зона температурного возмущения распространяется на сравнительно небольшое расстояние от коллектора, то в период восстановления она довольно быстро охватывает значительную толщу вмещающих пород. Однако изменения температуры приповерхностных слоев невелики и вряд ли могут представлять какую либо опасность для окружающей среды. Очевидно, они могут заметно влиять на температуру нейтрального слоя только при сравнительно небольшой глубине залегания эксплуатируемого горизонта, что редко встречается на практике.

Геотермальное месторождение только условно можно считать возобновляемым источником энергии из за того, что при его полной или частичной выработке восстановление ресурса тепла идет очень медленно, дольше жизни одного поколения, когда наиболее дорогая часть работ (пробуренные скважины) практически теряют ликвидную стоимость.

И в то же время климатические условия для ГеоЭС в средней полосе России уникальны из за аномально низких температур. Это позволяет снизить температуры конденсации, особенно зимой, что может дать прирост (на 20 40 %) в выработке электроэнергии по сравнению с ГеоЭС, которые расположены в районах жаркого и умеренного климата.

Использование геотермального тепла зимой могло бы обеспечить выработку разнообразных видов энергии для организации различной производственной деятельности. Но для этого геотермальной энергетике, чтобы стать эффективной на территории России, требуется решить ряд сложных задач.



Опреснение воды

Использование геотермальных месторождений зимой имеет еще один плюс.

Соленую воду геотермальных источников с большим дебитом зимой можно с минимальными затратами опреснять.

Замораживание соленой воды на юге СНГ часто используют для опреснения воды. Сущность использования данного физического процесса – вымораживания – состоит в следующем. Поскольку температура замерзания соленой воды ниже ­
0 С, то при ее вымораживании образуются кристаллы пресного льда, смерзающиеся в агрегаты. Каждый агрегат представляет собой группы кристалликов пресного льда, между которыми имеются области, заполненные рассолом. При быстром растапливании таких агрегатов получается лишь частично опресненная вода. Однако если нагревание такого льда производить постепенно – например, за счет энергии Солнца, – замерзший между кристалликами пресного льда рассол перейдет в жидкое состояние и будет стекать раньше, чем начнут таять сами кристаллы пресной воды. Растаявший рассол направляют в отдельные резервуары, лед опресняется, и при дальнейшем таянии образуется пресная вода, которую отводят в сборный резервуар.

Строительство новых солнечных соляных прудов дает возможность получать солевые растворы в условиях Сибири зимой, используя метод факельного намораживания. Причем известный метод можно использовать не только по своему прямому назначению, но и для повышения концентрации соли в воде, предназначенной для нижнего слоя пруда. Традиционно метод факельного намораживания используют для опреснения морских и подземных соленых вод. На морозе их пропускают через дождевальную установку, рядом с которой будет формироваться массив искусственного фирна (переходного вещества между снегом и льдом). Поскольку он хорошо фильтрует воду, соленая вода из него стечет, и ее надо будет отвести по каналу или естественному руслу в пруд. Оставшийся фирн окажется практически пресным.



Фототермальное преобразование

Конечно, при интенсивном использовании зимой геотермального месторождения уже на стадии проектирования зданий и сооружений не следует забывать о преобразовании ими зимой солнечного излучения в тепло (фототермальное преобразование). Оно может быть как пассивным (с использованием пассивных солярных элементов зданий – застекленных фасадов, зимних садов и т. д.), так и активным (с использованием дополнительного технического оборудования). Преимуществом пассивных систем является то, что для их эксплуатации не требуется никакого дополнительного оборудования. Используется солнечный свет, попадающий внутрь сооружения через окна или прозрачные поверхности. Данную систему следует проектировать с учетом максимального использования поступившей энергии для других помещений. Самыми подходящими здесь являются капитальные дома, позволяющие на непродолжительное время аккумулировать избыток энергии. Принципиальным здесь также является вид и регулирование системы отопления.

Пассивная система должна составлять со зданием единое гармоничное целое; этого проще всего добиться в новых постройках. Старые здания можно реконструировать (сделать застекленные пристройки, веранды и т. п.). Однако здесь необходимо принимать во внимание риск перегрева здания в летний период, для чего нужна установка соответствующей системы вентиляции, аккумулирования тепла строительными конструкциями.

Энергетическая выгода пассивной системы зависит от способа использования здания – например, дополнительное застекление лоджий экономически выгодно только в том случае, когда оно зимой не отапливается.

Общим для обоих источников тепла является то, что температурный потенциал и солнечного соляного пруда, и геотермального источника можно использовать в одних и тех же различных областях.

Таким образом, солнечное излучение и геотермальное тепло могут стать источниками энергии для комбинированных систем энергоснабжения в России, круглогодично обеспечивая важные области быта и производства энергией соответствующего потенциала.