Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии

[samo_de1kin]

УДК 621.1, 620.9, 662.997, 353.1

КОНЦЕПЦИЯ ГАРАНТИРОВАННОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

В.В. Велицко
ООО «ОЦР Технологии», ген. директор, г. Москва
Ссылка: Велицко В.В. Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии // Грозный: Сборник докладов Международной научно-практической конференции «GEOENERGY», 19-21.06.2015, с.32-45
Аннотация
В материале обоснована необходимость создания и очерчена концепция построения устойчивой к природным катаклизмам и к высокотехнологичным террористическим атакам ресурсоснабжающей инфраструктуры, базирующейся на децентрализованном производстве электроэнергии, тепла и воды с использованием геотермальных источников и современных технологий, позволяющих создавать малые ГеоТЭЦ с экономически эффективными сроками окупаемости.

Предпосылки для создания кластерной системы гарантированного энергоснабжения
Для современных коммунальных и промышленных потребителей задача гарантированной поставки незаменимых ресурсов является ключевой для обеспечения полноценного функционирования населённых пунктов и производственных комплексов. К незаменимым или труднозаменимым ресурсам можно отнести следующие ресурсы, такие как: электроэнергию, тепло на нужды отопления, в также водоснабжение и водоотведение [1].
Существенные перебои с поставкой электроэнергии приводят к прекращению работы системы производства, транспорта и распределения тепла (прекращают работу котельные и тепловые пункты (ТП)), прекращается водоснабжение, а следовательно - и водоотведение. При прекращении теплоснабжения, коммунальные потребители, особенно в отопительный сезон, включают электроотопительные приборы, а следовательно - приводят к перегрузке электросети и, зачастую, к критическому понижению частоты в сети и к её «развалу» - блэкауту [2]. Прекращение подачи в достаточных количествах воды приводит к нарушению функционирования системы канализации, а следовательно - к эпидемиологической угрозе в городах [1, с.424]. Из приведённого общего примера, демонстрирующего только некоторые зависимости видно, что малозависимые для внешнего наблюдателя ресурсы, такие как электроснабжение, теплоснабжение, водоснабжение и водоотведение являются чрезвычайно глубоко связанными и нарушение в снабжении любым из ресурсов повлечёт ограничение в поставке других ресурсов, что, в свою очередь, приведёт к цепной реакции, результатом которой может стать полное прекращение ресурсоснабжения городов.
Рассмотрим пример нарушения подачи только одного из вышеуказанных ресурсов - перебои с подачей электроэнергии. Данные перебои могут возникать в результате нештатных нарушений в работе электросетей (штатными нарушениями в работе воздушных линий электропередачи (ЛЭП) являются кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ), т.н. «мигания»), связанные с:
 природными катастрофами, число которых увеличивается в связи с временным глобальным потеплением, предшествующим очередному малому ледниковому периоду (длинная зима в циклах Миланковича), результатом которого являются не только более тёплые лето и зима, а значительная экстремизация климата, выражающаяся в засухах, поздних заморозках, ледяных дождях, ураганах и наводнениях;

• износом электросетевого оборудования;
• человеческим фактором;
• террористической активностью.

Проблемы нарушений в работе электросетевого хозяйства, возникающие в результате:

• природных явлений могут быть, на ближайшие десятилетия, решены с использованием подземной прокладки (где это возможно) кабелей ЛЭП, а также дополнительным резервированием питающих центров;
• износа электросетевого оборудования могут решаться путём замены устаревшего электросетевого оборудования на современное;
• человеческого фактора могут быть решены как путём обеспечения более качественного обучения эксплуатационного персонала и более эффективного информирования третьих лиц, влияющих на работоспособность электрических сетей;
• террористической активности, при существующей структуре системы электроснабжения не решаются в принципе.

На последнем аспекте угрозы нарушения в работе электрических сетей остановимся более подробно, т.к. для обеспечения устойчивости электрических сетей к угрозе террористических атак необходимо изменение существующей концепции генерации, транспорта и распределения электрической энергии, а также внедрение специальных организационных мероприятий, нацеленных на быстрое восстановление работоспособности сетей после терактов. Критическая уязвимость современных электрических сетей связана с тем, что выработка основных объёмов электроэнергии осуществляется на крупных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и электростанциях (тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидравлических (ГЭС)), после чего, посредством сетей высокого, среднего и низкого напряжения направляется потребителям. Это обеспечивает равномерность выработки и потребления электроэнергии, которая является залогом стабильности работы электрических станций и качества электроснабжения потребителей.
В случае крупных локальных или распределённых синхронных нарушений в подаче электроэнергии происходит моментальная разгрузка газовых и паровых турбин, работающих в составе электрогенерирующих агрегатов (ГТУ и ПТУ). В результате такой разгрузки ГТУ и ПТУ, не способные штатно выдерживать стабильную частоту вращения в отсутствие плавно изменяющейся внешней нагрузки, при том сопоставимой с их номинальной мощностью, отключаются от сети, обесточивая потребителей. В результате этого происходит отключение электростанций от сетей и останов турбин, что вызывает неизбежные аварии на электростанциях, связанные с невозможностью равномерно охлаждать остывающие турбины. Примером такой аварии может служить авария 25.05.2005 г., когда пострадали Московский регион, Тульская, Калужская и Рязанская области, а ряд турбоагрегатов ТЭЦ, после аварийного останова, требовал многомесячного капремонта.
Как видим из вышеприведённых обстоятельств, существующие системы электроснабжения особенно в части оборудования высокого и сверхвысокого (330 кВ и более) напряжения, являются чрезвычайно уязвимыми к целенаправленным, основывающимся на знании алгоритмов их работы, атакам. Аналогичными уязвимостями обладают системы теплоснабжения, водоснабжения, и водоотведения населённых пунктов и производственных объектов, функционирование которых может быть легко и с долговременным эффектом прекращено путём атак с учётом особенностей их функционирования. Что бы не быть голословным можно сказать, что, как известно электроэнергетикам, блэкаут в любом крупном городе, а в случае максимума энергосистемы и стечения иных негативных обстоятельств - и во всём регионе, может быть организован путём замыкания, по определённому алгоритму, высоковольтных воздушных ЛЭП, снабжающих электроэнергией питающие центры [3, с.687, 688, 713, 714; 4 с.266, 267, 525]. Причинно-следственная связь нарушения электроснабжения показана на Рис. 1.



Рис. 1. Последовательность нарушения ресурсоснабжения населённого пункта.
Как видим из Рис. 1, при прекращении электроснабжения сразу же прекращается подача тепла на отопление и питьевой воды (ХВС), в следствие чего прекращается горячее водоснабжение (ГВС), а также работа канализации. Как результат - рост вероятности эпидемической угрозы. Последовательность прекращения подачи ресурсов в населённый пункт, представленная на Рис. 1 является только одним из возможных вариантов развития событий. Например, при прекращении теплоснабжения в населённом пункте практически автоматически последует и прекращение электроснабжения, т.к. потребители, особенно в домах, не оборудованных газопроводами, включат электрокалориферы, на массовое включение которых не рассчитаны существующие электрические сети. Приведённых примеров должно быть достаточно для понимания недостаточной надёжности существующей системы ресурсоснабжения населённых пунктов в условиях природных катаклизмов и роста высокотехнологичных [5, 6] террористических угроз.
Решение задачи надёжного ресурсообеспечения населённых пунктов в условиях Северного Кавказа
Учитывая достаточно высокие среднегодовые объёмы падающего на территорию Северного Кавказа солнечного излучения, составляющего на уровне 4 кВт•ч/сутки, а также высокую доступность геотермальной энергии, которая может отбираться в виде термальных вод и высокотемпературных рассолов, можно обеспечить полностью автономное энергоснабжение региона, максимально снизив необходимость импорта электроэнергии и топлива. Концепция построения высоконадёжной системы ресурсоснабжения должна базироваться на обеспечении большинства потребителей, особенно в отопительный сезон, электроэнергией и теплом местного производства. Выработку ресурсов предпочтительно осуществлять следующим образом:

Производство и распределение электроэнергии:

• должно базироваться на использовании геотермальных, предпочтительно средне,- или высокотемпературных источников, а, при необходимости - низкотемпературных геотермальных вод, которые, в ряде случаев, могут задействоваться для производства электроэнергии только в отопительный сезон;
• при недоступности геотермальной энергии должны использоваться иные возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как ГЭС, фотоэлементы, ветрогенераторы и биоэнергетические установки;
• электрическими сетями, напряжением не более 10,5 кВ, целесообразно объединять генерирующие мощности в кластеры, состоящие из нескольких мини-ТЭЦ (геотермальных ТЭЦ (ГеоТЭЦ), солнечных и т.п.), обеспечивающих электроэнергией локальных потребителей.
• Производство и распределение тепла:
• тепловую энергию оптимально получать как побочный продукт производства электроэнергии на ГеоТЭЦ, т.е. здесь важно, чтобы геотермальные энергоустановки были именно ТЭЦ (теплоэлектроцентралями), а не ТЭС (тепловыми электростанциями) и имели возможность обеспечивать потребителей теплом;
• в случае наличия локальной генерации электроэнергии и относительно удалённых от неё потребителей, при наличии технико-экономической обоснованности, можно рассматривать возможность теплоснабжения с использованием тепловых насосов (ТН). При этом в случае, если локальная генерация отсутствует, ТН без наличия резервного источника тепла использовать нельзя, т.к. теплоснабжение потребителей будет зависеть от непрогнозируемых факторов, влияющих на работоспособность ЛЭП;
• при отсутствии доступной геотермальной энергии целесообразно использование солнечных коллекторов обеспечивающих как только производство тепла, так и совместное производство электрической и тепловой энергии [7].

Водоснабжение и обеспечение работы канализации:

• подача воды для ХВС и ГВС может осуществляться с использованием как низкоминерализованной воды, отработавшей в ГеоТЭЦ при производстве электроэнергии и/или тепла, так и воды со средней или высокой степенью минерализации, частично перерабатываемой в предлагаемых геотермальных решениях (о чём далее) в пресную воду, имеющий минерализацию, позволяющую использовать данную воду для нужд водоснабжения коммунальных потребителей;
• для аварийной гарантированной работы систем канализации населённых пунктов целесообразно обеспечить возможность переключения системы ХВС на питание средне,- или высокоминерализованной водой, а поставку воды питьевого качества осуществлять путём её развоза потребителям автотранспортом;
• также работа канализационной системы, например, в засушливых районах, может осуществляться путём локальной выработки технической воды на основе скоростных биогазовых установок, осуществляющих очистку и переработку канализационных стоков коммунальных потребителей за 24 часа [8]. Высокая скорость работы таких биоэнергоустановок определяет их компактность, а следовательно, уникальную функцию - возможность встраивания в существующие жилые кварталы и в подвалы многоэтажных зданий [1; 8].

Водоснабжение засушливых районов:

• при производстве электроэнергии с использованием геотермальных вод и рассолов имеется возможность получения опреснённой воды в объёме на уровне 5-15% от воды, поступающей в ГеоТЭЦ. Данная технология по своим решениям отличается о классического цикла Ренкина с органическим рабочим телом (ОЦР) или от цикла Калины (бинарный цикл), позволяя производить опреснённую воду и из низкотемпературных геотермальных источников.

Технологии обеспечения гарантированного ресурсоснабжения Северного Кавказа
Как показано выше, для обеспечения гарантированного снабжения региона электроэнергией, теплом и водой могут использоваться солнечная, ветровая энергия, ГЭС, геотермальные воды, а также локальные биогазовые установки, что, в зависимости от местных условий, позволит создать отказоустойчивую инфраструктуру ресурсоснабжения коммунального, сельского хозяйства, а также промышленности.
Учитывая, что темой настоящей статьи является использование именно геотермальной энергии, рассмотрим более подробно этот аспект. В северокавказском термоаномальном регионе, в настоящее время, пробурены тысячи выработанных нефтяных и газовых скважин, а также разведочных скважин и скважин, целевом образом бурившихся для добычи геотермальных вод и рассолов. Учитывая, что вода и рассолы, поступающие из указанных скважин бывают низко,- средне,- и высокотемпературными, а также дебиты таких скважин могут различаться в десятки раз, необходимо обеспечение указанных скважин линейкой оборудования, позволяющей использовать геотермальную энергию как от единичной низкотемпературной скважины, удобно расположенной рядом с потребителем, так и от группы средне,- или высокотемпературных скважин. При этом важным требованием к данному оборудованию будет являться масштабируемость, простота эксплуатации, умеренные капитальные (CAPEX) и эксплуатационные (OPEX) затраты, а также возможность производства значительной части комплектующих непосредственно в регионе, что позволит создать, на долговременной основе, новые квалифицированные рабочие места в промышленности, сервисе оборудования, а также в сопутствующих им отраслях хозяйства, чем будет, в значительной мере, решена проблема медленного освоения геотермальной энергии в России и на Северном Кавказе в частности по сравнению с США и ЕЭС, обусловленная отсутствием мер государственной поддержки [9, с.127].
Данным требованиям полностью отвечает разработанное решение ГеоТЭЦ, которая может эксплуатироваться для нужд выработки электроэнергии и тепла круглогодично с использованием средне,- и высокотемпературных геотермальных вод и, при необходимости - с использованием низкотемпературных вод в отопительный сезон только для нужд выработки электроэнергии (Рис. 2, I очередь).



Рис. 2. I и II очереди генерирующего оборудования для установки на средне,- и высокотемпературные геотермальные скважины.
Данное решение (Рис. 2, I очередь) базируется на апробированной оригинальной технологии, позволяющей вырабатывать электроэнергию непосредственно из подаваемых в установку геотермальных вод и рассолов. При этом в работе установки используются невысокие давления (в пределе - до 2 МПа (абс.)) и полностью отсутствуют различные промежуточные агенты, такие как фреоны (хладоны) и бинарные рабочие тела, применяемые, соответственно, в ГеоТЭЦ на базе ОЦР и цикла Калины. Дополнительным положительным аспектом является возможность параллельной выработки опреснённой воды, позволяющая осуществлять ХВС и полив в засушливых районах. Также, при необходимости, может производится обессоливание основной части рассола, например, перед его подачей во вторую ступень ГеоТЭЦ (Рис. 2, II очередь).
Для обеспечения увеличения выработки электроэнергии, первая ступень ГеоТЭЦ (см. Рис. 2) может быть настроена таким образом, что позволит осуществить установку дополнительной ступени, базирующейся на ОЦР или цикле Калины. Это позволит как снизить итоговую стоимость установленной мощности, так и увеличить суммарный среднегодовой электрический КПД, в зависимости от источника и климатических условий, до 25% и более (Рис. 3).
Энергетическое оборудование, предназначенное для использования в составе второй ступени ГеоТЭЦ может базироваться как преимущественно на зарубежных решениях, так и на отечественных технологиях с использованием ОЦР (цикла Ренкина с низкокипящим рабочим телом) или же цикла Калины.



Рис. 3. I и II очереди ввода ГеоТЭЦ в эксплуатацию.
Комбинированная ГеоТЭЦ, представленная на Рис. 3 будет обеспечивать более оптимальное соотношение цена / качество, чем I и II очереди ГеоТЭЦ работающие по отдельности за счёт снижения CAPEX, OPEX и роста электрического КПД.
В случае производства оборудования второй ступени ГеоТЭЦ на базе отечественных технологий, в нем могут быть заложены такие решения как:

• адаптивный термодинамический цикл, обеспечивающий на 20-30% большую выработку электроэнергии, чем классические циклы Ренкина (ОЦР) или Калины [10; 11, с.272-274] (принцип работы адаптивного термодинамического цикла показан на Рис. 4 и 5);
• технология бескомпрессионного нагнетания рабочего тела, позволяющая в несколько раз снизить затраты электроэнергии на прокачку низкокипящего рабочего тела в контуре ГеоТЭЦ [11, с.277, 278], в значительной мере определяющие её электрический КПД.

Рис. 4. Иллюстрация необходимости адаптивного цикла при работе ГеоТЭЦ.
Как видим из Рис. 4, для экономичной работы ГеоТЭЦ, при неизменных внешних условиях, по аналогии с автомобилем, не требуется изменение режима её работы. Однако, как только изменяются условия окружающей среды, для увеличения производства электроэнергии энергоустановкой требуется изменение параметров её работы (см. Рис. 5), что позволит, при сохранении расхода энергии (геотермальной воды), увеличить выработку электроэнергии в холодное время суток или время года. Это обеспечивается путём динамического отслеживания термобарических параметров отвода тепла в конденсаторе геотермальной энергоустановки, изменяющихся как в течение суток, так и в зависимости от времени года, а следовательно - изменяющегося температурного перепада между источником тепла (геотермальной водой) и атмосферным воздухом.



Рис. 5. Принцип работы адаптивного термодинамического цикла.
Использование фактического эксергетического потенциала позволяет, изменяя степень расширения рабочего тела в детандере (турбине), обеспечивать увеличение электрического КПД ГеоТЭЦ. Принципиальная схема ОЦР-ГеоТЭЦ, реализующей адаптивный термодинамический цикл, не отличается от классических геотермальных энергоустановок (Рис. 6), в связи с чем в её составе, при соблюдении определённых условий может использоваться серийное оборудование, выпускаемое крупными производителями для использования в составе ГеоТЭЦ.



Рис. 6. Одноконтурная и двухконтурная ОЦР-ГеоТЭЦ, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле [10].
Выводы
Для решения задачи создания системы энергоснабжения региона Северного Кавказа, устойчивой к природным катаклизмам, а главное - к квалифицированным террористическим атакам, в том числе с использованием специализированных роботов, созданных на основе аддитивных гражданских технологий и нацеленным на долговременный вывод из строя всей системы ресурсоснабжения коммунальных и производственных потребителей, необходимо создание такой системы электро,- тепло,- водоснабжения и водоотведения, которая будет базироваться на использовании местных ресурсов (геотермальной энергии и т.п.) и не будет чувствительна к уничтожению ЛЭП, сетевой инфраструктуры и систем трубопроводного транспорта воды, газа и иных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Учитывая ведущийся секвестр бюджета федеральных программ на 2015 и 2016 гг., данную систему ресурсоснабжения предпочтительно создавать с использованием оборудования, которое может производиться в северокавказском регионе, создавая дополнительные рабочие места и наполняя бюджет локальными налоговыми отчислениями. При этом на территории региона могут производиться не только элементы ёмкостного, теплообменного, силового оборудования, но и вплоть до систем аккумуляции и использования водорода [12] по российским технологиям, являющихся важным элементом перспективного развития инфраструктуры возобновляемой энергетики.
Двухэтапное освоение геотермальных скважин путём ввода на I этапе генерирующего оборудования с умеренной стоимостью и сроком возврата инвестиций на уровне 2-3 лет с последующим увеличением электрического КПД на II этапе ввода оборудования путём установки более экономичных, но и более капиталоёмких решений, позволит, в среднесрочной перспективе, создать значительное число децентрализованных генерирующих мощностей, обеспечивающих стабильное ресурсоснабжение региона, а при локальном производстве оборудования - обеспечить потенциал его поставки в соседние регионы.

Литература
1. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населённых пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015., с.419-428
2. Sheahan M., de Beaupuy F. Power Failure in Germany Triggers Blackouts in Europe (Update1) // Bloomberg, 05.11.2006 г., [Электронный ресурс]. URL: http://www.bloomberg.com/apps/news?pid=newsarchive&sid=a4J9_1zeDuEo (дата обращения: 14.05.2015)
3. Герасимов В.Г. , Дьяков А.Ф., Ильинский Н.Ф., Лабунцов В.А., Морозкин В.П., Орлов И.Н. (гл. ред.), Попов А.И., Строев В.А. Электротехнический справочник. В 4 томах. т 3. Производство, передача и распределение электрической энергии, 9-е издание, стереотипное // М.: изд-во МЭИ, 2004, 964 с.
4. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем // М.: Энергоатомиздат, 1998, 800 с.
5. Велицко В.В. Классификация террористической активности по видам и способам достижения целей // Политика, государство и право. 2015. №4 [Электронный ресурс]. URL: http://politika.snauka.ru/2015/04/2693 (дата обращения: 19.04.2015)
6. Аль-кассам продемонстрировало три модели БПЛА собственного производства (на ар. яз.) // Maan, 14.07.2014, URL: http://www.maannews.net/Content.aspx?id=712934 (дата обращения 22.04.2015)
7. Кукушкин С.А., Велицко В.В., Краснов А.Г. Организация производства концентраторных солнечных электростанций, комбинированных с паросиловым циклом // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.144-146.
8. Чумаков А.Н., Велицко В.В. Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов // М.: Коммунальщик, №6, 2015 г., с.16-21
9. Алиев Р.М., Васильева В.А., Исрапилов М.И., Бадавов Г.Б. Перспективы крупномасштабного использования геотермальной энергии в республике Дагестан // М.: Известия академии наук. Энергетика, №5, 2010 г., с.125-131
10. Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // М.: Сборник материалов V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22-23.11.2013 г.
11. Велицко В.В., Прохоров А.И. Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015., с.271-279
12. Мордовин В.П., Прохоров А.И., Куцев С.В., Калмакова А.В., Узинцев О.Е., Капранова В.И., Булычев С.И., Алехин В. П. Физико-механические свойства водородаккумулирующих интерметаллидов LaNi5, TiFe и композита LaNi5 - Al // М.: Деформация и разрушение материалов. - 2009. - № 4. - с.40-45