В настоящее время применяются два основных способа использования геотермальной энергии:
ГеоТЭС на парогидротермах.
Двухконтурные ГеоТЭС, использующие низкотемпературное (100–200 °С) тепло термальных вод.
Электростанции первого типа строятся по одноконтурной и двухконтурным схемам. Одноконтурная ГеоТЭС работается так же, как и обычная ТЭС. Основное отличие заключается в том, что рабочее тело перед подачей на лопатки турбины проходит сложную систему очистки от агрессивных примесей.
Для кардинального решения проблем экологии, солеотложений, коррозии, эрозии разработана двухконтурная технологическая схема (рис. 25), согласно которой в комплект оборудования добавляется парогенератор. На «горячей» стороне парогенератора конденсируется геотермальный пар; на «холодной» стороне генерируется вторичный пар, полученный из питательной воды, химически очищенной традиционными методами. При этом используется обычная паровая турбина. В двухконтурной схеме за счет отсутствия газов во вторичном паре будет получен более глубокий вакуум в конденсаторе и этим будет компенсирована потеря потенциала геотермального пара парогенераторе.
На месторождениях термальных вод с небольшой температурой (100…200 °С), применяются двухконтурные ГеоТЭС на низкокипящих рабочих веществах (хладоне R-142в). Потенциальные запасы таких термальных вод сосредоточены в основном на Северном Кавказе в пластах на глубине 2,5…5 км и могут обеспечить создание геотермальных станций общей мощностью в несколько миллионов киловатт. По экономическим показателям в настоящее время такие станции приближаются к станциям на органическом топливе (стоимость электроэнергии в зависимости от глубины скважин и температуры воды может составлять 3…5 центов за кВт×ч). Уже в ближайшие годы по мере роста потребления электроэнергии и повышения стоимости топлива геотермальные станции могут составить конкуренцию традиционным электростанциям.
Наша страна – пионер в создании энергоустановок на низкокипящих рабочих телах (РТ). Первая в мире опытная ГеоТЭС мощностью 600 кВт на хладоне R-12 была построена на Паратунском месторождении термальных вод на Камчатке еще в 1967 г.
Технологическая схема двухконтурной ГеоТЭС показана на рис. 26. Применяемое оборудование обеспечивают добычу термальной воды, эффективное преобразование ее тепла в электроэнергию, закачку отработанной воды и продуктов промывки теплообменников в пласт.
Для эффективного использования низкотемпературных геотермальных вод разработана перспективная геотермальная модульная энергоустановка на бинарном водоаммиачном рабочем теле (РТ). Главное преимущество такой энергоустановки (рис. 27) состоит в возможности ее использования во всем интервале температур термальных вод: от 90 до 220 °С. ГеоТЭС на индивидуальных РТ проектируются на определенную температуру греющей воды. Ее изменение более чем на 10…20 °С приводит к значительному снижению КПД и экономических показателей. Путем изменения концентрации компонентов бинарного РТ можно обеспечить хорошие показатели энергоустановки без изменения ее конструкции во всем указанном интервале температур греющего источника.
В настоящее время в России начато строительство двух коммерческих ГеоТЭС: Мутновской на Камчатке суммарной мощностью 200 МВт и Океанской в Сахалинской обл. суммарной мощностью 30 МВт. Эти ГеоТЭС будут сооружены с применением модульных блоков мощностью 4…20 МВт полной заводской готовности, которые изготавливает Калужский турбинный завод. Для таких ГеоТЭС предпочтителен базовый режим работы, так как эксплуатационные скважины не допускают резких изменений давления и расхода.
Рассмотренные ГеоТЭС географически «привязаны» к парогидротермам, поэтому районы их применения в России ограничены. Гораздо большее распространение могут иметь ГеоТЭС на термальной воде с температурой 100…200 °С. Такие станции должны быть двухконтурными с низкокипящим рабочим телом во втором контуре.
Потенциальные запасы таких термальных вод сосредоточены в основном на Северном Кавказе в пластах на глубине 2,5…5 км и могут обеспечить создание ГеоТЭС общей мощностью в несколько миллионов киловатт. Скважины термальных вод допускают регулирование расхода, поэтому на двухконтурных ГеоТЭС возможно регулирование мощности без потерь теплоносителя.
В США разработана схема (рис. 28) для использования энергоресурсов, содержащихся в геотермальных системах аномально высокого давления. В этих геотермальных месторождениях горячая вода «заперта» в глубоко залегающих осадочных бассейнах. Температура воды составляет 200 °С, а давление достигает 500 …900 МПа. Кроме того, вода содержит большое количество растворенного метана, который является ценным энергетическим ресурсом. В ГеоТЭС, показанной на рис. 28, применяются следующие процессы преобразования энергии:
получение метана, который может использоваться в качестве энергетического топлива;
выработка электрической энергии с помощью гидроагрегата путем использования высокого давления геотермального флюида;
утилизация теплоты для испарения низкокипящего рабочего тела, например изобутана.
Океанические электростанции
Волновые энергетические установки. Энергия Мирового океана объединяет энергию ветровых волн, океанических течений, приливов, прибоев, градиентов солёности и теплоты и.т.д. Мощности отдельных энергоресурсов мирового океана приведены в табл. 4. (см. Приложение)
Наиболее перспективными для электроэнергетики считаются следующие ресурсы:
энергия волн;
термоградиенты;
энергия течений.
Первоначальным источником морских волн является солнечное излучение, служащее причиной глобальных перепадов давления в различных точках Земли, вызывающих перемещение воздушных масс.
До 1980 г. в 20 странах мира было зарегистрировано около 1000 различных предложений по использованию энергии волн. Целесообразность использования энергии волн определяется ее высокой удельной мощностью. В открытом море при высоте волны более 10 м удельная мощность может достигать 2 МВт/м. Технически можно использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где удельная мощность не превышает 80 кВт/м. Удельная мощность ветрового волнения составляет:
Каспийское море ……………… 7…11 кВт/м.
Баренцево море …………………. 22…29 кВт/м.
Балтийское море ……………… 7…8 кВт/м.
Охотское море ………………. 12…20 кВт/м.
На волновых электростанциях потенциальная и кинетическая энергия волн преобразуется в электрическую. Энергия волн может или непосредственно преобразовываться в энергию вращения вала генератора, или приводить во вращение турбину, на одном валу с которой устанавливается генератор. Создание мощных волновых электростанций (ВлЭС) встречает определенные трудности, связанные с креплением их на больших расстояниях от берега, защитой от коррозии в агрессивной морской среде, обеспечением надежности работы установок в штормовых условиях.
Все известные волновые установки состоят из четырех основных частей:
рабочего органа;
рабочего тела;
силового преобразователя;
системы крепления.
Рабочий орган находится в непосредственном контакте с водой. Под действием волн он совершает определенные движения, или изменяет условия движения волн. К рабочим органам относят всевозможные системы поплавков, водяные колеса и другие подобные устройства. Рабочее тело – это среда, воздействующая на силовой преобразователь. Им может быть вода или воздух. Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим органом (механической энергии движения рабочего органа, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или масла), в электрическую энергию. В качестве силовых преобразователей используются многочисленные цепные, зубчатые и другие передачи, гидравлические насосы и турбины, воздушные турбины, генераторы и т.д.
Система крепления удерживает волновую установку на месте. Если установка является плавучей, она гибкими связями соединяется с транспортирующим ее судном. Если же установка располагается на берегу, то системой крепления служит конструкция самой установки.
Имеется большое число различных схем использования волновой энергии, воплощенных в проекты, модели и действующие электростанции разных масштабов и типов.
Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые установки. Основной рабочий орган таких установок находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания согласно изменяющемуся в фиксированной точке уровню моря под воздействием ветровых волн. Вертикальные перемещения поплавка с помощью различных приспособлений переводятся во вращательное движение вала генератора. Наиболее простая волновая поплавковая установка представлена на рис. 29. С использованием такого принципа действия в Швеции разработан проект ВлЭС мощностью 10 МВт. Станция будет иметь 720 подобных поплавковых преобразователей.
Из других поплавковых волновых установок, наиболее интенсивно исследуемых в различных странах, следует отметить плот Кокерелля, качающуюся «утку» Солтера, пульсирующий столб Масуды и преобразователь Рассела.
Плот Кокерелля представляет собой плавающую по поверхности воды конструкцию, состоящую из трех шарнирно связанных между собой понтонов, при волнении принимающих очертания поверхности моря. Передний понтон 1 свободно движется вверх и вниз, подчиняясь колебаниям волн. Движения второго понтона 2 более ограничены, ибо поверхность воды под ним становится более пологой после того, как большую часть энергии волны перехватит первый понтон. Третий понтон 3 в цепочке вдвое длиннее первых двух и относительно устойчивее. Таким образом, работа плота в целом основана на относительных поворотах смежных понтонов.
Каждое шарнирное крепление через два длинных шатуна и специальные рычаги соединено с поршнями гидравлических цилиндров. Движение плота заставляет поршни двигаться вперед и назад, перекачивая жидкость в изолированной замкнутой системе. Жидкость перекачивается через четыре патрубка и под низким давлением поступает из резервуара под поршень, а под высоким давлением подается с рабочей стороны поршня в трубу и далее в турбину, вал которой соединен с валом генератора. Вся конструкция плота закрепляется якорями. В случае очень длинных волн энергия на подобных ВлЭС не вырабатывается, ибо тогда все три понтона представляют собой единый поплавок и приводы в шарнирных сцеплениях неподвижны.
Качающаяся «утка» Солтера состоит из опорных стенок с балластом и подвижного элемента («утки»), перемещающегося вокруг оси в соответствии с колебаниями уровня моря (рис. 31). Несколько «уток» соединяются между собой опорным валом, который приводится во вращение с помощью храповиков, имеющихся на каждой «утке». Непрерывность вращения вала обеспечивается тем, что хотя бы одна «утка» из нескольких, посаженных на вал, стремится повернуть его в нужном направлении. После того как эта «утка» перестанет принимать воздействия волны, всегда найдется другая, находящаяся на подъеме какой-либо волны.
