Теплоэнергетика, 2023, № 9, стр. 77-87

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

В Исландии с 2021 г. эксплуатировались восемь системных ГеоЭС общей установленной мощностью 752.6 МВт и выработкой электрической энергии 6208 (ГВт · ч)/год, функционировали также небольшие станции, построенные в 2018 г.: Flúðavirkjun (1 МВт) и Flúðir (0.6 МВт) [7]. Геотермальные электростанции расположены на геотермальных месторождениях сухого пара, пароводяной смеси (ПВС) и высокотемпературной воды на севере острова (три ГеоЭС) и в южной его части (пять станций). На исландских ГеоЭС применяются все известные принципиальные тепловые схемы: с непосредственной подачей сухого пара в турбины, с одно- и двухступенчатой сепарацией ПВС, с использованием бинарных энергоблоков. Проектирование и сооружение большинства ГеоЭС выполнила исландская фирма Mannvit Engineering, имеющая пятидесятилетний опыт работы. Проектирование систем централизованного теплоснабжения осуществляет исландская компания Verkis Engineering, а эксплуатирует 18 ГЭС и ГеоЭС компания Landvirjuк. На геотермальных электростанциях страны установлены паровые турбины главным образом японских производителей.

В таблице [7] представлены основные характеристики ГеоЭС. Первая сетевая ГеоЭС Bjarnarflag была построена на севере страны в 1969 г. по схеме с одноступенчатой сепарацией (single flash – SF) (рис. 3) и паровой турбиной мощностью 3.2 МВт. Температура пара равна 182°С, давление – 9.5 бар (0.95 МПа), выработка электрической энергии в 2020 г. составила 30 ГВт · ч.

Рис. 3.

Схема ГеоЭС с одноступенчатой сепарацией (SF). 1 – продуктивная скважина; 2 – сепаратор; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор; 5 – реинжекционный насос конденсата; 6 – скважина реинжекции конденсата; 7 – сепарационный насос реинжекции; 8 – скважина реинжекции сепарата

Геотермальная электростанция Krafla установленной мощностью 60 МВт, построенная в период 1987–1997 гг., расположена в 10 км от ГеоЭС Bjarnarflag. На месторождении пробурено 33 скважины глубиной 2222 м каждая, из которых в 2021 г. эксплуатировалось 17 скважин, в том числе 5 скважин сухого пара. Геотермальная электростанция находится рядом с вулканом и в 1980 г. пережила его извержение. После восстановления станции в 1997 г. на ней была установлена вторая паровая турбина мощностью 30 МВт. В 2021 г. мощность станции составила 60 МВт. ГеоЭС работает по схеме с двухступенчатым сепарированием (double flash – DF) (рис. 4). На территории ГеоЭС Krafla в 1999 г. компанией Mannvit Engineering была пробурена первая скважина для добычи флюида сверхкритических параметров по самой перспективной в геотермальной энергетике технологии [8].

Рис. 4.

Схема ГеоЭС с двухступенчатой сепарацией (DF). 1 – продуктивная скважина; 2, 3 – сепараторы I и II ступеней; 4 – паровая турбина; 5 – конденсатор; 6, 8 – насос реинжекции конденсата и сепарата; 7, 9 – скважина реинжекции конденсата и сепарата

Геотермальная ПВС у подножия вулканов при сверхкритических параметрах: температуре свыше 450°С и давлении 140 бар (14 МПа) – приобретает особые свойства. Вода имеет плотность в разы меньшую, чем при обычных параметрах, а растворимость в ней существенно повышается. Кардинально меняются и свойства пара. Лучшие в мире практические результаты бурения скважин для добычи ПВС с СКП получены в Исландии при реализации национальной программы Iceland Deep Drilling Project (IDDP) [9]. При сооружении первой скважины на глубине 2104 м по этой программе (IDDP-1) в 1999 г. бур попал в расплав магматических пород. Бурение было остановлено и при перфорации ствола скважины до глубины 2080 м была организована добыча флюида, имевшего такие параметры на устье: температуру 450°С, давление 140 бар (14 МПа), массовый расход до 12 кг/с, тепловую мощность до 36 МВт. Работы на скважине продолжались три года до выхода ее из строя в 2012 г. из-за коррозии арматуры и ствола [10]. В 2022 г. на площадке ГеоЭС Krafla фирма Mannvit Engineering проводила подготовительные работы к бурению новой скважины для добычи геотермального телоносителя с СКП – Krafla Magma Testbed. Проект бурения подобной скважины на полуострове Камчатка в России описан в статье [11].

Третья станция Húsavik на севере Исландии установленной мощностью 2 МВт была построена в 2000 г. на основе бинарного энергоцикла Калины с водоаммиачной смесью в качестве рабочего тела (цикл KCS34) [12] (рис. 5). На сегодняшний день эта станция обеспечивает электро- и теплоснабжение города Húsavik – “китовой столицы” Исландии.

Рис. 5.

Схема бинарной ГеоЭС по циклу Калины с водоаммиачной смесью в качестве рабочего тела. 1 – продуктивная скважина; 2 – испаритель; 3 – сепаратор; 4 – турбина, работающая на водоаммиачной смеси; 5 – рекуператор; 6 – конденсатор; 7, 9 – питательный и реинжекционный насос; 8 – подогреватель; 10 – скважина реинжекционная

В 30 км от ГеоЭС Húsavik в 2018 г. была возведена ГеоЭС Theistareykir установленной мощностью 90 МВт. Электростанция получает ПВС от девяти скважин и работает по схеме с одноступенчатой сепарацией. На ГеоЭС установлены две турбины мощностью 45 МВт каждая.

Строительство самой мощной исландской ГеоЭС Hellisheiði (303 МВт) велось в 2006–2011 гг. Источником ПВС являются 30 геотермальных скважин глубиной от 2000 до 3000 м. Параметры геотермального пара после одноступенчатой сепарации следующие: температура 178°С, давление 8.5 бар (0.85 МПа). Установлены шесть турбин фирмы Mitsubishi мощностью 45 МВт каждая и одна турбина фирмы Toshiba с давлением на входе 1.25 бар (0.125 МПа) и мощностью 33 МВт. Отработанный в турбинах геотермальный теплоноситель в теплообменниках (общая тепловая мощность 133 МВт) подогревает артезианскую воду питьевого качества, которая по теплоизолированной трубе диаметром 1000 мм и протяженностью 19.5 км подается на теплоснабжение г. Рейкьявик. Рядом с ГеоЭС в 2021 г. была построена установка OrkaCCSс по утилизации углекислого газа с последующими растворением его в отработанной на ГеоЭС геотермальной воде и закачкой в подземные пласты для кристаллизации в горных породах (производительность 4 тыс. т/год). Проектирование и строительство ГеоЭ-С выполняла фирма Mannvit Engineering (Исландия), магистрального теплопровода – компания Verkis Enginnering (Исландия), установки по утилизации СО₂ – фирма Climeworks (Швейцария).

Геотермальная электростанция Reykjanes имеет установленную электрическую мощность 100 МВт. Источник ПВС – 12 геотермальных скважин глубиной 2700 м каждая. Параметры сухого пара: температура 290–320°С, давление 19 бар (1.9 МПа). На станции функционируют две паровые турбины мощностью по 50 МВт. Охлаждение конденсаторов осуществляется морской водой. На площадке ГеоЭС в 2017 г. по программе IDDP-2 была пробурена вторая скважина глубиной 4650 м. Параметры в забое в режиме охлаждения буровой жидкостью следующие: температура 426°С, давление 340 бар (34 МПа). При отсутствии охлаждения буровой жидкостью температура породы достигала 535°С. При дальнейших испытаниях скважины произошло обрушение обсадной колонны, и проект был остановлен.

Геотермальная электростанция Svartsengi установленной мощностью 74.4 МВт получает ПВС и сухой пар от 13 геотермальных скважин глубиной 1800 м каждая (8 скважин с ПВС и 5 с сухим паром). Первая паровая турбина мощностью 6 МВт была установлена в 1981 г. В 1989–1993 гг. фирмой ORMAT на ПВС после турбины с температурой 103°С и давлением 0.1 бар (0.01 МПа) были смонтированы семь бинарных энергоблоков единичной мощностью 1.2 МВт каждый с изопентаном в качестве рабочего тела (рис. 6). В 1999 г. на станции была введена в эксплуатацию паровая турбина с одноступенчатой сепарацией мощностью 30 МВт, а в 2007 г. – паровая турбина мощностью 30 МВт на сухом паре (dry steam – DS) (рис. 7). Теплоноситель после прохождения турбин общей тепловой мощностью 150 МВт направляется на теплоснабжение г. Рейкьявика по магистральному теплопроводу протяженностью 45 км, а также к плавательным бассейнам геотермального курорта “Голубая лагуна” (Blue Lagoon). На ГеоЭС Svartsengi построен завод по производству биотоплива для транспорта – метанола производительностью до 5 млн дм³/год. В качестве сырья используются углекислый газ, отсепарированный из геотермального теплоносителя [13], и водород, полученный из воды методом электролиза с потреблением электроэнергии от ГеоЭС.

Рис. 6.

Схема бинарного энергоблока с органическим рабочим телом. 1 – продуктивная скважина; 2 – пароперегреватель; 3 – испаритель; 4 – экономайзер; 5 – паровая турбина; 6 – конденсатор; 7 – фреоновый насос; 8 – реинжекционный насос; 9 – скважина реинжекционная

Рис. 7.

Схема ГеоЭС с сухим паром (DS). 1 – продуктивная скважина; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос конденсата реинжекционный; 5 – скважина реинжекционная

В ГеоЭС Nesjavellir установленной электрической мощностью 120 МВт поступает ПВС от 25 скважин. ГеоЭС работает по схеме с одноступенчатой сепарацией. На электростанции Nesjavellir установлены четыре паровые турбины мощностью по 30 МВт. Подключенная тепловая мощность составляет 300 МВт. Отработанный геотермальный теплоноситель подогревает по закрытой схеме воду, которая направляется на теплоснабжение г. Рейкьявик.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ТЕПЛОГЕНЕРАЦИЯ

Теплогенерация в Исландии преимущественно геотермальная (97%). В годовом балансе геотермальная тепловая энергия непосредственно от скважин составляет 6900 ГВт · ч (73%), а геотермальное отопление после ГеоЭС – 2285 ГВт · ч (24%) (рис. 8).

Рис. 8.

Диаграмма использования для нужд отопления тепловой энергии, полученной от разных источников в 2021 г. [всего 9453 ГВт · ч/год (100%)], ГВт · ч: 1 – геотермальный теплоноситель напрямую от скважин, 6900; 2 – то же, после ГеоЭС, 2285; 3 – с помощью электрической энергии, 264; 4 – на основе нефтепродуктов, 5

Распределение общей установленной мощности (2373 МВт) геотермальной теплогенерации Исландии в 2021 г. по видам потребления показано на рис. 9, а по тепловой энергии (9340 ГВт · ч/год) – на рис. 10.

Рис. 9.

Диаграмма распределения установленной мощности геотермальной теплогенерации [всего 2373 МВт (100%)], МВт: 1 – отопление, 1650; 2 – промышленное использование, 80; 3 – рыболовство, 110; 4 – плавление снега, 260; 5 – плавательные бассейны, 210; 6 – тепловые насосы, 5.6; 7 – теплицы, 57

Рис. 10.

Диаграмма потребления геотермальной теплоэнергии в 2021 г. [всего 9340 ГВт · ч (100%)], ГВт · ч: 1 – отопление, 6840; 2 – плавательные бассейны, 898; 3 – рыболовство, 630; 4 – плавление снега, 525; 5 – промышленность, 256; 6 – тепловые насосы, 19

Как видно на рисунках, преобладает геотермальное отопление – 1650 МВт (70%) и 6840 ГВт · ч/год (71%). На втором месте по мощности – плавка снега 260 МВт (11%), при этом расход тепловой энергии составляет всего 525 ГВт · ч (5.5%). По потреблению тепловой энергии на втором месте располагаются плавательные бассейны – 898 ГВт · ч (9.3%).

В Исландии централизованное геотермальное теплоснабжение имеется в 30 городах и населенных пунктах, его общая установленная мощность составляет 1650 МВт (69.6%). В столице страны г. Рейкьявик находится крупнейшая в мире система теплоснабжения тепловой мощностью 1150 МВт (2020 г.). Город потребляет 80 млн м³ геотермальной воды в год. Общая протяженность тепловых сетей равняется 2230 км. Расчетный температурный график варьируется от 75°С в подающем трубопроводе до 35°С в обратном.

На рис. 11 представлена схема источников геотермальной теплогенерации г. Рейкьявик. Система включает в себя четыре основных геотермальных месторождения: Laugaveite, Mosfellssveit из региона Reykir, Elliðaar и Laugarnes [15], а также три тепломагистрали, “исходящие” от ГеоЭС Svartsengi. Nesjavellir и Hellisheiði. Проанализировав опыт эксплуатации этих месторождений и, в частности, Laugarnes с реинжекцией отработанного теплоносителя, авторы [16] разработали системы централизованного геотермального теплоснабжения городов, расположенных на полуострове Камчатка: Петропавловска-Камчатского, Елизово, Вилючинска – с расчетной тепловой мощностью 216 МВт.

Рис. 11.

Схема геотермальных месторождений, от которых осуществляется теплоснабжение г. Рейкьявик

Геотермальное теплоснабжение г. Рейкьявик [17] началось в 1930 г. с прокладки тепломагистрали длиной 3 км от скважин месторождения Laugaveite с их дебитом 330 дм³/с при температуре 87°С. На втором этапе (1943 г.) в город проложили теплопровод протяженностью 18 км от месторождения Mosfellssveit региона Reykir с температурой флюида 85–90°С. Общая тепловая мощность тепловода составляет 200 МВт (рис. 12). Температурный график отопления зданий города 75/35°С (температуры в подающем и обратном трубопроводах) меняется в зависимости от температуры наружного воздуха. Теплоноситель после систем отопления зданий подается в системы снеготаяния, находящиеся под дорогами, общая площадь которых равняется 550 тыс. м² (всего в Исландии такие системы простираются на 740 тыс. м²) [14], и далее на слив. Геотермальная вода месторождения Mosfellssveit характеризуется низкой минерализацией и отсутствием коррозионно-активных элементов. Два этих фактора обусловили применение одноконтурной системы. В 1958 г. к городу был подключен термоводозабор Laugarnes тепловой мощностью 120 МВт с температурой теплоносителя 130°С (рис. 13). Режим эксплуатации скважин – фонтанный. В 1967 г. система теплоснабжения г. Рейкьявик была дополнена месторождением Elliðaar с восемью скважинами суммарным дебитом 220 дм³/с, температурой на устьях 85–95°С и общей тепловой мощностью 40 МВт. Схема этого геотермального термоводозабора одноконтурная, аналогичная схеме месторождения Laugarnes.

Рис. 12.

Схема геотермального теплоснабжения г. Рейкьявик от месторождения Mosfellssveit. 1 – погружной насос; 2 – геотермальная скважина; 3 – бак-газоотделитель; 4 – насос; 5 – бак-аккумулятор; 6 – пиковая котельная

Рис. 13.

Схема геотермального теплоснабжения г. Рейкьявик от месторождения Laugarnes. 1 – погружной насос; 2 – геотермальная скважина; 3 – бак-аккумулятор; 4 – насос

Суммарная установленная мощность геотермальной теплогенерации трех ГеоЭС, работающих для теплоснабжения г. Рейкьявик, составляет 583 МВт, самая большая из них – ГеоЭС Nesjavellir – вырабатывает 300 МВт тепловой энергии (рис. 14).

Рис. 14.

Схема тепловой генерации на ГеоЭС Nesjavellir. 1 – продуктивный пласт; 2 – геотермальная скважина; 3 – сепаратор; 4 – паровая турбина; 5 – конденсатор; 6 – реинжекционный насос; 7 – теплообменник; 8 – бак-аккумулятор; 9 – насос; 10 – пласт артезианской воды

НЕЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ВОДЫ

Всего в Исландии 140 геотермальных бассейнов общей площадью 28 тыс. м². Самый большой в стране открытый плавательный бассейн Langardalsland площадью 1500 м² находится в г. Рейкьявик. Всего в городе располагаются 17 таких бассейнов, а в 47 км от столицы – самый знаменитый бассейн “Голубая лагуна”.

Около трети рыбных ферм страны (20 шт.) потребляют геотермальную энергию в размере 630 ГВт · ч. В поселке Хверагерды, в 45 км от г. Рейкьявик, построены теплицы общей площадью 200 тыс. м². Геотермальная вода применяется также для сушки рыбы (до 15 тыс. т/год), морских водорослей (до 4 тыс. т/ год) и выпаривания морской соли.

Углекислый газ геотермальных скважин в Исландии используется при реализации одной из трех технологий:

сепарации из воды с последующим сжижением выделившегося СО₂ для теплиц;

сепарации из воды и использования СО₂ для производства метанола;

утилизации СО₂ из воздуха, растворения его в сепарате ГеоЭС и реинжекции в подземные горизонты.

По первой технологии работает установка на месторождении Grimsnes (2 тыс. м³/год). На ГеоЭС Svartsengi функционирует завод по производству метанола (5 млн дм³/год). На ГеоЭС Hellisheiði фирмой OrkaCCS построена установка по утилизации СО₂ из воздуха с закачкой его в растворенном состоянии в подземные пласты (производительность 4 тыс. т/год).

ВЫВОДЫ

1. В Исландии сформирована нормативная база развития геотермальной энергетики и действует государственное учреждение Orkustofnun, осуществляющее лицензирование, мониторинг разработки и эксплуатации геотермальных месторождений, создана крупнейшая в мире библиотека по геотермальной энергетике. В настоящее время Orkustofnun обеспечивает регулирование энергорынка. Финансированием разработки новых месторождений и субсидированием рынка теплоснабжения занимается Энергетический фонд.

2. Перспективным направлением развития геотермальных исследований являются бурение скважин у подножия вулканов и добыча теплоносителя сверхкритических параметров. По программе IDDP в Исландии были пробурены две скважины и проведены испытания на них.

3. В Исландии эксплуатируются восемь системных ГеоЭС с 29 энергоблоками суммарной установленной мощностью 752.6 МВт и годовой выработкой электрической энергии 6208 ГВт · ч. Большинство энергоблоков ГеоЭС (18 шт.) работают по схеме одноступенчатой сепарации ПВС. Эксплуатируются восемь бинарных энергоблоков, два с двухступенчатой сепарацией ПВС и один с сухим паром. Подавляющее большинство паровых турбин изготовлены японской фирмой Mitshubishi. Применяются как воздушные, так и водяные конденсаторы с охлаждением, в том числе морской водой. Проектирование и строительство ГеоЭС осуществляет главным образом исландская фирма Mannvit Engineering, а эксплуатацию – компания Landvirjuk.

4. Система централизованного геотермального теплоснабжения г. Рейкьявик является самой крупной в мире (установленная мощность 1150 МВт). Она работает с 1930 г. и имеет теплосети протяженностью 2230 км. В состав системы входят четыре геотермальных месторождения, в том числе с погружными насосами, и три магистральных теплопровода от ГеоЭС протяженностью до 50 км каждый.

5. Опыт развития геотермальной энергетики Исландии имеет большое значение для наиболее удаленного российского региона – Камчатского края, геологические условия формирования термоводозаборов которого аналогичны, а отсутствие месторождений органических энергоносителей способствует актуализации использования исландского варианта развития энергетики.