Многие томские СМИ облетела крайне интересная новость о новом достижении сотрудников «Томского Политехнического Университета» (ТПУ). В новостях шла речь о создании опытной установки геотермальной тепловой электростанции (ГеоЭС) на основе органического цикла Ренкина. Тема нас крайне заинтересовала, тем более что ранее про такие ГеоЭС в российских СМИ писали не раз. Мы решили узнать, что же все-таки создали в Политехе и каковы перспективы разработки.
ГеоЭС от ТПУ
В официальном пресс-релизе ТПУ, в частности, говорилось о том, что инженеры вуза разработали опытный образец ГеоЭС мощностью до 25 киловатт и провели первые испытания. В отличие от существующих в России геотермальных станций в ГеоЭС ТПУ используется органический цикл Ренкина, позволяющий работать при более низких температурах. В перспективе, подобные установки могут использоваться и для электро и для теплоснабжения. Проект реализуется при поддержке программы Минобрнауки РФ «Приоритет-2030».
Установка ГеоЭС работает по технологии замкнутого или бинарного цикла. При этом используется хладагент, кипящий при более низких температурах – от 47 градусов Цельсия. Температура используемого геотермального источника может составлять 60 градусов. При подогреве термальной воды используется озонобезопасный газ R245fa из группы фреонов. Такие разработки, если верить авторам публикации, могут позволить потенциально расширить географию регионов, где можно использовать подобные ГеоЭС.
В настоящее время в стране есть четыре действующих ГеоЭС – на Камчатке и Курильских островах. Кроме того, в своем исследовании ученые ТПУ, оказывается, проанализировали имеющиеся данные о геотермальной отрасли России и других стран и собрали карту наиболее перспективных для развития подобных технологий регионов страны. В их число вошли Камчатка, Сахалин, Курилы, Северный Кавказ, Западная Сибирь.
Томские перспективы
Томская область оказалась также перспективной для развития геотермальной энергетики. Разработка геотермальной тепловой электростанции, которая сможет работать от низкотемпературных геотермальных источников, которых в России не мало, сулит неплохие перспективы. Правда, сразу вызывает некоторые сомнения утверждение, что такие станции можно будет применять в Западной Сибири и в частности, в Томской области. Такие источники в нашем регионе и правда есть, но их крайне немного. Достоверно пока известно только о источниках в поселке Белый Яр Верхнекетского района, на реке Пиго в Парабельском районе и так называемый «Малиновский геотермальный источник» находится в Зырянском районе. Еще один, Шиняевский геотермальный минеральный источник, расположен во все том же Зырянском районе.
Тем не менее запасы геотермальных вод в Томской области оцениваются некоторыми геологами, как «практически не ограниченные». Правда они залегают в палеозойских и юрских водоносных горизонтах, на глубинах в 2-3 километра и имеют температуру от +40 до 140°С. Большая часть – низкотемпературные, водяной раствор в таких источниках имеет температуры от 40 до 60 градусов. Для купания людей они, может и подойдут, но вот для выработки электроэнергии – вряд ли. Глубина залегания геотермальных вод и их низкая температура делают такие источники крайне неподходящими для выработки электроэнергии. На Камчатке, Курилах, Сахалине, Северном Кавказе геотермальные станции есть смысл размещать, там относительная высокая геологическая активность недр, температура источников достигает 100-120 градусов. В Западной Сибири установка таких станций выглядит крайне сомнительной и затратной. Придется ведь бурить породу на глубину в 2-3 километра, ставить насосы по откачке воды на поверхность, возиться с трубами и иными коммуникациями, да и хладагенты ныне не дешевые. Или политехники думают, что водяной раствор пойдет на поверхность самостоятельно? Так он, и без того не такой уж и горячий, неизбежно остынет еще сильнее, медленно поднимаясь на 2-3 километра вверх. Даже на Камчатке и Курилах, где действуют вулканы и гейзеры, где температура источников более 100 градусов, ГеоЭС не получили широкого распространения. Сегодня там работает только всего лишь четыре геотермальные станции. Почему-то даже там все идет со скрипом, хотя горячие источники выходят прямо на поверхность.
Изобрели велосипед?
Дальше стало еще интереснее. Простой поиск в сети выдает, что в ТПУ, по всей видимости, снова изобрели велосипед. Таким инженерным и научным разработкам уже 60 лет. Еще в 1965 году усилиями специалистов СО АН СССР такую ГеоЭС построили на камчатском Среднепаратунском месторождении, она проработала до 1974 года. В этом месте температура низкопотенциальной воды составляла около 80 градусов, там инженеры и построили первую фреоновую геотермальную электростанцию мощностью около 1 МВт и теплонасосную станцию. Так что этими вопросами ученые занимаются давно, установок и идей как разрабатывать энергию геотермальных источников, за десятки лет разработали множество.
К примеру, в статье 2006 года, опубликованной в газете «Наука в Сибири» сообщалось о том, что в Институте теплофизики Новосибирска уже давно занимаются разработками использования низкопотенциального тепла (100 градусов и ниже), на два порядка по количеству превышающее 100-градусные, источники. Ученые из Института выяснили, что если станция имеет мощность от 1 МВт до 5-ти, то рабочим телом должен быть фреон-12 или фреон-21. Сразу три института работали над созданием фреоновой турбины. И такая была создана: центробежная центростремительная радиальная турбина мощностью около 1 МВт, весом в 700 кг. КПД турбины составлял 82 %. Фактически была создана идеальная для низкокипящего рабочего тела турбина мощностью до 5 МВт.
Особенность турбин с низкокипящим рабочим телом заключалась в том, что у них есть ярко выраженный максимум, причем этот максимум сдвигается в зависимости от понижения температуры конденсации. Расчеты были проведены до температуры минус 15 градусов. Фреон, как известно, кипит при минус 30, т.е. минус 15 градусов — нормальная конденсация. Это дает возможность использовать 50-градусное тепло, так как тогда срабатываемый перепад будет 65 градусов. Паратунская геотермальная фреоновая станция работала на интервале 80-20, т.е. те же 60 градусов.
В статье же ТПУ нет ни слова про разработанную своими силами турбину, говориться про некий использующийся для этих целей «винтовой детандер». Поиск в интернете находит, что такие детандеры для преобразования тепловой энергии в электрическую разработаны более 5 лет назад, имеется патент на имя некого Маркуса Блумхардта, зарегистрированный в РФ.
Самое главное, подобные разработки тепловых насосов в России широко в дело так и не пошли, несмотря на то что теоретически все обстояло прекрасно. Как оказалось, при отрицательных температурах такие тепловые насосы не могут использоваться, потому что использовались прежде всего, импортные — своих нет. Зарубежный тепловой насос применить в российских условиях почти невозможно. Чтобы получать перепад в 70 градусов, его необходимо чем-то догревать, т.е. портить весь теплонасосный цикл.
Но и это еще не всё…
Есть вопросы и к фреону, который выбрали в ТПУ в качестве рабочего тела. Возьмем, к примеру, научную статью Д.Ф. Крупина из Вятского Госуниверситета из города Кирова, посвященную оптимальному выбору рабочих тел для энергоустановок на базе органического цикла Ренкина 2016 года. В этой статье приводится таблица классификации фреонов по эффективности использования рабочих тел для ОЦР модуля при различных температурах источника. Так вот, в этой таблице сообщается о том, что фреон R245fa может использоваться при температурах источника в 170-190С, что как мы понимаем, в несколько раз выше, чем температура источника, используемого в ГеоЭС ТПУ.
Заставляет сомневаться и утверждение, что «были проведены первые натурные запуски установки с использованием реальной физической модели геотермальной скважины». Зачем вам «модель геотермальной скважины», если в Томской области есть действующие геотермальные источники? Поставьте свою установку около действующего источника и сразу получите ответ, работает ваша схема или нет, какие недостатки имеются.
Одним словом серьезных вопросов к очередной уникальной разработке ТПУ возникает очень много, как и разработанной ранее «Солнечной панели», где все завершилось скандалом и уголовными делами, установкам газификации угля, производству бериллия и многим другим «прорывными» проектами…
Станислав ЮРЬЕВ