Модульный геотерм

Фото: GDC

Запасы подземного тепла огромны и постоянно – круглосуточно и круглогодично доступны, причём это условно чистая энергия, так как её получение не связано со сжиганием топлива (вулканические газы выделяются без человеческого вмешательства). Однако строительство геотермальной электростанции – дело долгое, сложное и трудоёмкое. Возможно ли упростить, ускорить и удешевить работу, видоизменив архитектуру ГеоТЭС?

Традиционная технология сооружения геотермальной электростанции предполагает бурение и испытание ряда скважин, а затем, в зависимости от результатов, выбор места для размещения машинного зала, заказ турбин и сооружение системы паропроводов для передачи пара от скважин к турбинам. Обычно срок строительства составляет семь лет, а если возникают какие-либо сложности, то и больше. Это, конечно, очень долго. У ГеоТЭС есть и другие недостатки: при перекачке часть энергии пара теряется, ресурсы скважин с переменным давлением используются не полностью.

Вулканический ландшафт

Переместимся теперь в Кению. Эта страна богата геотермальными ресурсами: с севера на юг её пересекает цепочка вулканов и озёр Великой рифтовой долины – глубокого тектонического разлома, проходящего через Красное море и отделяющего Восточную Африку от остальной части континента. Правительство Кении старается развивать геотермальную энергетику – с этой целью создана государственная компания Geothermal Development Co. (GDC). В районе вулкана Олкария, на территории национального парка «Ворота ада», построено шесть геотермальных электростанций, которые в прошлом году произвели почти 45% всей кенийской электроэнергии. Самая первая, Олкария I, запущенная в 1981 году (который был и годом основания национального парка), в дальнейшем, после модернизации, включавшей установку двух дополнительных генераторов, стала самой мощной в мире. Пять ГеоТЭС общей мощностью 799 МВт принадлежат местной генерирующей компании KenGen, шестая, мощностью 150 МВт, – американской Ormat Technologies.

В 2008 году GDC приступила к проекту на новой площадке – в кальдере (гигантском кратере) спящего вулкана Мененгаи к северу от Олкарии. Долгосрочные планы предусматривают постройку там генерирующих объектов общей мощностью 465 МВт, а весь потенциал площадки оценивается в 1600 МВт. В 2013-м госкомпания провела конкурс на сооружение в кальдере Мененгаи первых трёх геотермальных станций мощностью по 35 МВт, в результате которого проекты были переданы трём независимым энергетическим компаниям: китайской Orpower 22, входящей в Kaishan Group, южноафриканско-британской Quantum Power East Africa и национальной Sosian Energy со штаб-квартирой в Найроби. Два первых проекта пока в реализации, а третий уже завершён: станция Sosian Menengai Geothermal Power даёт ток с августа 2023 года. При этом работы по её сооружению заняли всего 16 месяцев – невиданно короткий для отрасли срок.

Инновация

Первоначальный план GDC, в партнёрстве с которой работала Sosian, предусматривал пять этапов разработки, и на первом должна была использоваться модель «продажи пара» с единой электростанцией мощностью 105 МВт и 25-километровой системой паропроводов. К 2023 году на Мененгаи силами GDC было пробурено 53 скважины общим потенциалом в 169 МВт.

Но всего через пару лет после конкурса, в 2015 году, на конференции по геотермальной энергетике в Мельбурне в ходе дискуссии о проблемах, с которыми сопряжена разработка геотермальных источников по традиционной методике, глава Kaishan Group доктор Тан Янь выдвинул неожиданное предложение устанавливать электрогенерирующие модули непосредственно около устий скважин. Тогда не понадобятся протяжённые трубопроводы, в которых неизбежно теряется часть энергии, и можно будет уже на ранних этапах проекта начать производить электроэнергию и за счёт средств, вырученных от её продажи, финансировать следующие этапы. Оставался, правда, вопрос о техническом решении – в тот момент Тан Янь не видел на рынке ничего подходящего на роль генерирующего модуля при скважине. Однако у Kaishan имелась разработанная в 2012 году для нефтеперерабатывающих и сталелитейных заводов технология утилизации отходящего тепла с блоками на основе органического цикла Ренкина (ORC) и на основе винтового детандера. Её-то и было решено адаптировать для нужд геотермальной энергетики.

Чтобы охватить все разновидности ресурсов, компания Kaishan разработала четыре типа модулей для децентрализванных электростанций: паровой с винтовым детандером, паровой, жидкостный и двухфазный с ORC-блоком. Винтовые детандеры способны работать с широким диапазоном разновидностей пара, встречающихся в геотермальных скважинах, в том числе и при высоком содержании неконденсируемых газов. В блоках на основе ORC вместо воды и водяного пара используется органическая жидкость, испаряющаяся при температуре ниже 100 °C, следовательно, они подходят для горячей скважинной воды и сравнительно прохладного пара. Для повышения эффективности генерации детандеры могут комбинироваться с ORC-блоками. Технология была впервые опробована в 2018 году в Индонезии, затем последовали новые проекты – в той же Индонезии, в Венгрии, Турции и США.

Как утверждает Тан Янь, разработанный компанией Kaishan подход позволяет значительно повысить КПД электрогенерации. К примеру, для скважин со средней энтальпией он может составить 18–19% (для сравнения: на традиционных централизованных геотермальных электростанциях, где теплоноситель используется однократно, этот показатель равен 8–12%).

Проект

В итоге Sosian приняла решение переключиться на технологию компании Kaishan, которая в своём первом кенийском проекте выступила как подрядчик и по проектированию, и по закупкам, и по строительству. Ключевую роль сыграла пониженная стоимость – 65 млн долларов вместо 108 млн, которые понадобились бы на реализацию первоначального централизованного решения.

В построенной системе задействовано пять агрегатов – два винтовых детандера и три ORC-блока, которые утилизируют отходящее тепло первых двух. При этом пар из скважины, пробурённой GDC, содержит 3,3% неконденсируемых газов. Если бы он поступал на обычную паровую турбину, понадобилось бы предварительно удалять из него примеси, расходуя на это по тридцать тонн пара в час, – а винтовой детандер нормально работает с такой смесью, то есть позволяет обойтись без специальной очистки.

Что касается планов по выработке электроэнергии, то они даже перевыполняются. Минимальная гарантированная мощность в соответствии с проектом должна была равняться 33,25 МВт, целевая составляла 35 МВт, а на практике электростанция генерирует 37 МВт, причём для неё нет необходимости докупать у GDC 10% пара, как это предусматривалось первоначальным проектом.

Статья написана по материалам журнала Power (www.powermag.com).