Российская геотермальная энергетика: анализ столетнего развития научных и инженерных концепций

19.04.2021 JeeesAdmin 2019-03 0

В.А. Бутузов [0000-0003-2347-9715]

Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина, г. Краснодар, 350044, Россия

E-mail: butuzov@newmail.ru

Аннотация. Представлены данные по установленной мощности геотермальных электростанций (ГеоЭС), систем геотермального теплоснабжения в мире, потенциальные запасы российских геотермальных месторождений, максимальные объемы добываемых ресурсов. Указано на комплексный характер геотермальной энергетики, в которой работают геологи, гидрологи, геохимики, горные теплофизики и собственно энергетики. Выделена глубинная и поверхностная геотермия (до 400 м). Отмечены особенности собственно геотермии и петрогеотермии (тепло сухих горных пород). Дан анализ развития геотермии России с 1905 г. Представлен анализ результатов работы основных четырех советских геотермальных школ: московской, ленинградской, киевской, дагестанской. Описана советская структура управления разведкой и добычей геотермального теплоносителя, методология создания геотермальных систем теплоснабжения и примеры их успешной реализации. Указаны достижения основных современных организаций России по исследованиям проблем геотермии, созданию ГеоЭС и систем геотермального теплоснабжения, в том числе поверхностных и комбинированных (солнечно-геотермальных).

Ключевые слова: геотермия, скважины, месторождения, геотермальные электростанции, системы геотермального теплоснабжения, геотермальные циркуляционные системы, петрогеотермия, обустройство месторождений, реинжекция

1. Введение

По данным Всемирного геотермального конгресса (ВГК) 2015 г. [1] в мире эксплуатируются геотермальные электростанции (ГеоЭС) суммарной установленной мощностью 12,6 ГВт с ежегодной выработкой электроэнергии 74 тыс. ГВт.ч.

В зависимости от параметров геотермального теплоносителя различают следующие основные виды ГеоЭС: с одним расширением пара (сепарации) — 5 ГВт установленной мощности, на перегретом геотермальном паре — 2,9 ГВт установленной мощности; геотермальные бинарные ГеоЭС на низкотемпературном теплоносителе – 1,8 ГВт. Всего в мире работают 613 геотермальных энергоблоков, в том числе 286 бинарных, 167 с одним давлением сепарации, 68 с двумя давлениями сепарации. В России в настоящее время общая установленная мощность ГеоЭС составляет 82 МВт, в том числе 75 МВт с одним давлением сепарации, 5 МВт с противодавлением, 2 бинарных.

По данным последнего ВГК установленная тепловая мощность систем геотермального теплоснабжения в мире составила 70,3 ГВт при выработке тепловой энергии 163 ТВт.ч/год. В 42 странах мира с 2010  по 2014 г.г. было пробурено 2218 геотермальных скважин, в том числе 38,7% для теплоснабжения и 8,6 % для комбинированного теплоэлектроснабжения. В мире преобладают геотермальные системы теплоснабжения   (ГСТ) с тепловыми насосами: 70,95 % по установленной мощности, 55,3 % по отпущенной тепловой энергии. Структура ГСТ мира с тепловыми насосами характеризуется следующими показателями установленной мощности / годового отпуска тепловой энергии, % геотермальные тепловые насосы – 70,95/55,3; бассейны – 13,0/20,31; отопление – 10,74/15,01; прочие – 5,31/9,38. Структура ГСТ без тепловых насосов соответственно: отопление – 44,74/45,43; теплицы – 36,98/33,58; прочие – 9,32/10,84 [2]

2. Геотермальное теплоснабжение

Геотермальное теплоснабжение в мире на втором месте, после солнечного, из всех возобновляемых источников энергии. Бурение геотермальных скважин и обустройство месторождений существенно отличаются от газовых и нефтяных. Объемы обратной закачки геотермальной воды кратно превосходят практикуемые в нефтедобыче. Геологические, гидрогеологические, теплофизические особенности геотермальных месторождений обуславливают специализацию соответствующих дисциплин. Разработка и сооружение наземных систем геотермального теплоснабжения должны учитывать стабильные температуры, большие дебиты, сложный химический и газовый состав геотермального теплоносителя. По источнику тепловой энергии различают глубинные (свыше 400 м) и поверхностные геотермальные системы теплоснабжения. Для первых источник энергии – тепло магмы Земли, для вторых – аккумулированное солнечное тепло и глубинное тепло Земли.

Россия обладает огромными запасами геотермальной энергии в Предкавказье, Западной и Восточной Сибири, на Камчатке, Курильских островах, Сахалине, Дальнем Востоке с расчетным суммарным дебитом 218 м3/сек. [3]. Ресурсная база геотермии СССР систематически исследовалась  с 1954 г. В основе данных исследований работы геологов, гидрогеологов, горных теплофизиков, в результате которых составлена  геотермальная карта СССР [4, 5]. По ряду причин не завершена  разработка Генеральной схемы освоения  ресурсов геотермальной воды в СССР . Геотермальная карта России представлена в книге [7] (Рис. 1). Результаты опробования сотни тысяч пробуренных нефтяных, газовых и геотермальных скважин позволяют с достаточной степенью достоверности прогнозировать геотермальные ресурсы регионов России. По данным [7] в 11 регионах России (Дагестан, Чечня, Краснодарский, Ставропольский края, Адыгея, Карачаево–Черкессия, Кабардино-Балкария, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Магаданская область) разведано 66 геотермальных месторождений с температурами на устье скважин от 40 ºС до 300 ºС с эксплуатационными запасами 315,23 тыс.м3/сут. при дебите 52,6 тыс.м3/сут. Результаты исследований и эксплуатации геотермальных месторождений, выполненных организацией Мингазпрома СССР, обобщены в Правилах разработки геотермальных месторождений [8]. В настоящее время установленная мощность российских систем геотермального теплоснабжения (СГТ) составляет 310 МВт с отпуском тепловой энергии 170 ГВт·ч/год [8].

Геотермия как наука неразрывно связана с геологией и гидрогеологией. При разведке и добыче полезных ископаемых, нефти и газа исследуются также геотермические условия недр. Первым в России геологом, систематически исследовавшим геотермальные проблемы, был талантливый и незаурядный человек Л.А. Ячевский (1858–1916). В 1905 г. он публикует статьи по геотермии и становится членом Международной геотермической комиссии. В 1910 г. по его инициативе была организована постоянная геотермическая комиссия при Русском географическом обществе.

После Великой отечественной войны в министерстве геологии СССР был организован отдел геотермии, а в 1949 г. в Махачкале была пробурена первая геотермальная скважина, давшая промышленный дебит горячей воды. История геотермальных исследований на Камчатке образно описана В.И. Белоусовым (1936 г.р.). На своем сайте (http://sites.google.com/site/geobelousov),он разместил уникальные документы по истории геотермии в мире, СССР, на Камчатке. По его мнению, история геотермии Камчатки началась в 1948 г., когда инженер-теплотехник проектно-сметной конторы Главсахалинрыбпрома А.А. Гайваронский (1903–1971) обратился к И.В. Сталину с предложением о развитии геотермии на Камчатке. При поддержке академика Михаила Викторовича Кирпичева (1878–1955), выдающегося теплотехника и основателя советской научной школы котлостроения председатель правительства СССР В.М. Молотов даёт указание о начале геотермальных исследований на Камчатке. В 1954 г. была создана лаборатория по исследованию геотермальных ресурсов Института вулканологии СССР, а в 1956 г. были пробурены первые две разведочные скважины в Петропавловске-Камчатском. В 1966 г. на Камчатке в 300 км к югу от Петропавловска-Камчатского была построена первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция (ГеоЭС) мощностью 5МВт с турбинами Калужского турбинного завода (КТЗ). В настоящее время данная ГеоЭС – гарантирующий поставщик электроэнергии 4 поселков Усть-Большерецкого района с двумя турбинами мощностью по 6 МВт, произведёнными в СССР в 1940-м и в 2000 г. Неподалеку в 2014 г. построена единственная в России бинарная ГеоЭС мощностью 2.4 МВт. Вторая в СССР после Паужетской – Паратунская ГеоЭС была построена в 1967 г. в 70 км от г. Петропавловска-Камчатского у пос. Термальный. Впервые в мире по идее академика С.С. Кутателадзе (1914–1986) эта станция использовала промежуточное легкокипящее рабочее тело – фреон, который при температуре геотермальной воды 85ºС превращался в пар и вращал турбину мощностью 600 кВт. Строительством и испытанием станции руководила ученица С.С. Кутателадзе к.т.н. В.Н. Москвичёва. Результаты работы ГеоЭС в течение 2000 ч подтвердили её проектные характеристики. В настоящее время оборудование станции демонтировано. На Курильском о-ве Кунашир у подножия вулкана в 1993 г была установлена геотермальная энергоустановка “Омега” (КТЗ) мощностью 500 кВт, а в 2003 г рядом были построены Менделеевская ГеоЭС с энергоустановками “Туман-2А” (КТЗ) мощностью3.6 МВт, геотермальная станция теплоснабжения мощностью 18 МВт и геотермальный теплопровод в пос. Горячий Ключ протяжённостью 9 км. В настоящее время ведётся реконструкция ГеоЭС с установкой оборудования фирмы “ОРМАТ” (США). В 1999 г. в 110 км от Петропавловска-Камчатского под руководством д.т.н О.А. Поварова была построена Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12 МВТ с турбинами “Туман 4 К” (КТЗ). Особенностью данной станции стала модульность конструкции, что позволило построить её в кратчайшие сроки, а также применение воздушных конденсаторов. На основе успешного опыта эксплуатации Верхне-Мутновской ГеоЭС в 2003 г. была построена самая мощная в России Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт с двумя турбинами К-25-06 (КТЗ).

В 1956 г. создаются лаборатория гидрогеологических проблем им. С.В. Саваренского в Москве (Ф.А. Макаренко), лаборатория геотермии Института физики Земли в Москве (И.Д. Дергунов), лаборатория гидрогеологических и геотермических исследований Института геологии Дагестанского филиала АН СССР в Махачкале (С.А. Джамалов). Результаты исследований были рассмотрены Академией наук СССР в 1956 г. на Первом Всесоюзном совещании по геотермии в Москве. Для координации исследований в 1961 г. в АН СССР организована комиссия по гидрогеологии и геотермии, которая в 1964 г. была преобразована в Научный совет по геотермальным исследованиям во главе с академиком А.Н. Тихоновым. В 1963 г. правительство СССР принимает постановление “О развитии работ по использованию в народном хозяйстве глубинного тепла Земли”, которым обязанность освоения тепловой энергии недр было возложено на Мингазпром СССР. В 1964 г. в Москве состоялось второе Всесоюзное совещание по геотермии, а на третьем Всесоюзном совещании в 1969 г. в Махачкале отмечалось, что геотермальным теплоснабжением в 7 городах было обеспечено 50 тыс. человек, 100 промпредприятий и 15 га теплиц. Геотермальными исследованиями в СССР в этот период занимались 64 организации.

3. Исследование проблем геотермии

Исследование геологических, гидрогеологических и теплофизических вопросов геотермии осуществлялось в четырёх основных научных школах: московской, ленинградской, киевской и дагестанской. В результате исследований Геологического института АН СССР (Ф.А. Макаренко, В.И. Кононов, М.Д. Хуторский, В.И. Дворов), Объединённого института физики Земли АН СССР (И.Д. Дергунов, Е.А. Любимова) были определены основные перспективные геотермальные месторождения страны. Они, как правило, сопутствуют тектоническим разломам на границах плит, по которым раскалённая магма поднимается к поверхности Земли. В 1972 г. была опубликована Геотермическая карта СССР (под ред. Ф.А. Макаренко – 1906–1984). Исследования состояний и движений подземных вод от областей питания до мест разгрузки и моделирование геотермальных месторождений выполнили гидрогеологи института ВСЕГИНГЕО (к.г.-м.н. Б.Ф. Маврицкий, А.А. Шпак) [9]. Исследованиями передачи тепла от магматических очагов к горным породам, изменений теплового режима водонасыщенных пород при отборе и нагнетании геотермальной воды в массивах горных пород занимались горные теплофизики. В СССР лидером использования тепла сухих горных пород (петрогеотермия) был основатель ленинградской научной геотермальной школы д.г.-м.н. Ю.Д. Дядькин (1929–2002). В Ленинградском горном институте (ЛГИ) он разработал теоретические и экспериментальные основы использования глубинного тепла Земли[10], участвовал в разработке геотермального атласа СССР[9] . Большую роль в развитии геотермальных исследований имела организованная им в 1970 г. при ЛГИ Проблемная научно-исследовательская лаборатория горной теплофизики. Достойным преемником Ю.Д. Дядькина и лидером российской геотермии стал д.т.н. Э.И. Богуславский (1934 г.р.) в монографии которого “Освоение тепловой энергии недр”, приведены результаты исследований геотермальных и петрогеотермальных месторождений. При этом анализируются проблемы во всём многообразии от математического моделирования процессов теплообмена в горных породах до экономики геотермального теплоснабжения. В настоящее время в России это единственная максимально информативная книга.

Киевская геотермальная школа была основана д.т.н. О.А. Кремнёвым (1919–1987). Совместно с д.т.н. А.В. Шурчковым он исследовал вопросы создания петрогеотермальных систем в пористых породах[11], геотермальных циркуляционных систем, технико-экономической оценки создания систем геотермального теплоснабжения с построением номограмм определения тепловой мощности скважины в зависимости от глубины, температуры и дебита, стоимости бурения скважин. Достойным преемником и главным специалистом геотермии в Украине в настоящее время является д.т.н. Ю.П. Морозов (1943 г.р.). В его последней книге “Добыча геотермальных ресурсов и аккумулирование теплоты в подземных горизонтах”[12] обобщён опыт работы киевской геотермальной научной школы. В мировой практике петрогеотермальные системы получили ограниченное применение. Основная проблема – нестабильность трещиноватости горных пород и соответственно дебитов скважин. В СССР имелся негативный опыт создания такой системы в г. Тырныауз (Кабардино-Балкария). На глубине 3.7 км температура пород составляла 200ºС, давление нагнетания воды 60 МПа. После аварии эксперимент был прекращён [13].

В соответствии с Постановлением правительства СССР в 1963 г. буре-ние скважин, обустройство геотермальных месторождений в СССР осуществляло Министерство газовой промышленности. С 1966 г. по 1981 г. им было организовано 5 региональных Управлений по использованию глубинного тепла Земли: Кавказское (Махачкала), Северо-Кавказское (Грозный), Кубанское (Армавир), Грузинское (Тбилиси), Камчатское (Петропавловск-Камчатский). В задачу объединений входило бурение новых геотермальных, переоборудование нефтяных и газовых скважин, обустройство месторождений, добыча и реализация геотермальной воды. В 1981 г. на базе управлений, дополненных институтом ВНИПИгеотерм в Махачкале организовано НПО “Союзбургеотермия”, на балансе которого было 250 геотермальных скважин. Первый эксплуатационный нормативный документ (Правила разработки месторождений теплоэнергетических вод) разработан Мингазпромом СССР в 1985 г. Действующие Правила разработки месторождений теплоэнергетических вод ПБ 07-599-03 утверждены в 2003 г. Проекты геотермальных систем теплоснабжения с 1965 г. выполнял Центральный НИИ экспериментального проектирования инженерного оборудования (ЦНИИЭПИО). Книга ведущего специалистом СССР по геотермальному теплоснабжению к.т.н. Б.А. Локшина (1937–1970) “Использование геотермальных вод для теплоснабжения” [14] не потеряла актуальности до настоящего времени. Б.А. Локшин впервые ввёл понятие коэффициента эффективности геотермального теплоснабжения, разработал первый проектный нормативный документ СССР “Инструкция по комплексному использования геотермальных вод для теплохладоснабжения зданий”, ВСН 36-77. Большой вклад в геотермальное теплоснабжение внёс непосредственный руководитель Б.А. Локшина – к.т.н. А.З. Ивянский (1925–2006). Их достойным преемником стал к.т.н. В.И. Красиков (1949 г.р.). Он разработал Нормы проектирования ВСН 56-87 “Геотермальное теплохладоснабжение жилых и общественных зданий”[15]. ЦНИИЭПИО разработал проекты геотермального теплоснабжения Махачкалы, Каспийска, Избербаша, Тернаира, Черкесска, Грозного, Тобольска, десятки проектов геотермального теплоснабжения отдельных объектов. Под руководством В.И. Красикова были разработаны проекты геотермального теплоснабжения г. Усть-Лабинска и пос. Розового Краснодарского края, г. Вранье в Сербии.

До 1985 г. проектированием геотермальных систем электро и теплоснабжения также занималось Новосибирское отделение института “Теплоэлектропроект”, которым разработаны схемы геотермального энергоснабжения Тюменской области, г. Петропавловск-Камчатский и г. Южно-Сахалинск.

В СССР по геотермальной энергетике главной организацией Министерства энергетики страны, координатором всех работ по геотермии по линии Государственного комитета по науке и технике СССР был Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, где с 1962 г. работала лаборатория геотермальной энергетики и Дагестанский филиал института. В числе работ ЭНИНа следует отметить координацию работ по созданию Мутновской ГеоЭС (утверждение запасов, разработка ТЭО строительства), то же по Океанской ГеоЭС на острове Итуруп (Курилы), Каясулинской ГеоЭС в Ставропольском крае (бурение скважин,полевые испытания, технический проект станции), создание геотермальных систем теплоснабжения на Камчатке, в Дагестане, Грузии. Возглавлял лабораторию геотермальной энергетики ЭНИН к.т.н В.А. Васильев .[16].  В девяностые годы научная и инженерная геотермальная школа была создана выдающимся учёным, специалистом-турбинистом, прекрасным организатором д.т.н. проф. О.А. Поваровым (1938–2006). Трижды Лауреат Госпремий Олег Алексеевич в 1992 г. организовал в Московском энергетическом институте (МЭИ) Научно-исследовательский и учебный центр геотермальной энергетики (НУЦ Гео). В 1994 г. О.А. Поваров создаёт АО “Геотерм”, в которой он был научным руководителем, вице-президентом компании. В сложных экономических условиях 90-х гг. под руководством О.А. Поварова разрабатывались новые геотермальные турбины, сепараторы и другое оборудование для самой мощной в России Мутновской геотермальной электростанции мощностью 50 МВт, которая введена в эксплуатацию в 2003 г. (Рис. 2). Начатое О.А. Поваровым дело по созданию геотермальной энергетики продолжили его ученики, и в том числе д.т.н. Г.В. Томаров (1957 г.р.), к.т.н. А.И. Никольский (1945 г.р.), к.т.н. В.Н. Семёнов (1948 г.р.), к.т.н. А.А. Шипков (1975 г.р.) [17]. В 2003 г. впервые в России творческому коллективу во главе с О.А. Поваровым была присуждена Госпремия РФ за “Фундаментальные исследования в области геотермальной энергетики и создание на их основе ГеоЭС”. Многолетний опыт исследований, разработки оборудования и создания российских геотермальных электростанций был обобщен и представлен в единственной в России монографии по данной тематике “Геотермальная энергетика”. В области геотермального теплоснабжения учёными в составе АО “Наука”, АО “Геотерм–М”, ООО “Геотерм”, НУЦ “ГеоМЭИ” были разработаны проекты геотермального теплоснабжения, включая ТЭО геотермального теплоснабжения городов Лабинска, Усть-Лабинска, Анапы, Апшеронска, Горячего Ключа, пос. Мостовского, Розового Краснодарского края, а также создана система геотермального теплоснабжения пос. Розового Краснодарского края мощностью 5 МВт.

Исследования по поверхностной геотермии в России были развёрнуты в девяностые годы прошлого века в Санкт-Петербургском горном государственном университете СПГГИ (ТУ) под руководством д.т.н. Э.И. Богуславского. Были разработаны обзорные карты распределения температур на глубинах 40, 100, 200 м всей страны, а также выполнена оценка ресурсов поверхностной геотермии всей территории страны. Исследовались совместное влияние ландшафтно-климатических, гидрогеологических факторов с одной стороны и геотермических свойств пород с другой стороны. Карту температурного режима “нейтрального слоя” территории России составили СПГГИ (ТУ) и ФГУП НПЦ “Недра” под общим руководством А.А. Смыслова [6]. Исследованием теплового режима скважин глубиной до 400 м занимается в Киеве д.т.н. Ю.П. Морозов [12]. В Махачкалинском институте проблем геотермии д.т.н. А.Б. Алхасовым выполнены всесторонние исследования, в том числе тепловых режимов поверхностной геотермии. Разработаны методики определения температуры теплоносителя на выходе скважины, оптимального расхода теплоносителя в скважине, расстояния между скважинами и темпов восстановления теплового режима пласта[ 13] . Отличительной особенностью исследований д.т.н. Г.П. Васильева (1955 г.р.) является изучение теплообмена в горных породах с учётом фазового перехода состояния жидкости, а также большое число построенных объектов в средней полосе России с использованием скважин поверхностной геотермии с тепловыми насосами [18] .

В развитии геотермии в России уникален вклад Дагестана. Основателем дагестанской геотермальной научной школы является чл.-корр. АН СССР, д.ф.-м.н. Х.И. Амирханов (1907–1986), возглавлявший с 1950 по 1984 г. Институт физики и Президиум Дагестанского филиала АН СССР. По его инициативе в 1956 г. в Институте геологии была создана лаборатория гидрогеологических и геотермических исследований, которую возглавил к.т.н.  С.А. Джамалов (1903–1980) . В 1980 г. на базе данной лаборатории был создан Институт проблем геотермии (ИПГ) Дагестанского филиала АН СССР во главе с д.г.-м.н. В.В. Суетновым (1931–1990), работавшего там до 1983 г. Его преемником до 1987 г. был д. г.-м. н. М.К. Курбанов (1933–2011). Коллеги отмечают огромную роль в становлении и развитии ИПГ д.ф.-м.н. М.-К.М. Магомедова (1936–2002), руководившего институтом 15 лет (1987–2002). В 2002 г. директором ИПГ стал сотрудник института со дня основания д.т.н. А.Б. Алхасов (1952 г.р.), успешно руководивший институтом также 15 лет (2002–2017). Под его руководством ИПГ превратился в главную геотермическую научную организацию России. В его составе 101 сотрудник, в том числе 22 доктора и 30 кандидатов наук. В структуре института 8 лабораторий, в том числе энергетики, геотермальных энергетических ресурсов, математического моделирования геотермальных объектов, комплексного освоения ВИЭ. В настоящее время А.Б. Алхасов возглавляет Дагестанский филиал ОИВТ РАН, заведует кафедрой ВИЭ Дагестанского государственного университета и научной школой “Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов им. Э.Э. Шпильрайна”. Геотермальное теплоснабжение в Дагестане начато в 1949 г., когда по предложению С.А. Джамалова в центре Махачкалы на базе старой нефтяной скважины № 27 были построены общественные бани, а в 1951 г. – первая в СССР специально на термальные воды была пробурена скважина № 160, давшая воду из караганских отложений с дебитом 2000 м3/сут с температурой на устье 63ºС и избыточным давлением 15 бар. С вводом в эксплуатацию этой скважины было доказано большое практическое значение термальных вод. Поселки Редукторный, ТЭЦ и ряд других промышленных объектов г. Махачкалы до сих пор используют эту скважину для отопления, горячего водоснабжения и розлива минеральной воды. В 1953 г. от скважин № 98 и № 175 геотермальным отоплением были обеспечены здания Института физики и Института геологии Дагестанского филиала АН СССР. С.А. Джамалов одним из первых предложил простые в исполнении и надёжные в эксплуатации геотермальные панельные системы отопления. Развитие идей С.А. Джамалова по геотермальному теплоснабжению в Дагестане осуществили его соратники и ученики: Ю.И. Султанов, Г.Б. Бадавов, П.Н. Ригер, А.Ш. Мейланов, А.Н. Абдулдаев. В 1964 г. в г. Махачкале была организована первая в СССР Северо-Кавказская разведочная экспедиция по бурению и реконструкции нефтегазовых скважин на термальные воды, которая в 1966 г. была преобразована в Кавказское промысловое управление по использованию глубинного тепла Земли Мингазпрома СССР. В Дагестане пробурено 139 тыс. погонных метров геотермальных скважин. Здесь к.т.н. Х.Х. Натановым впервые были разработаны методы обработки геотермальной воды для предотвращения солеотложений и коррозии. В 1982 г. в Махачкале тем же министерством было организовано научно-производственное объединение (НПО) “Союзбургеотермии” под руководством видного нефтяника М.Г. Алиева (1928–1987). В его состав помимо Кавказского промыслового управления входили институт по использованию глубинного тепла Земли (Грозный), Кубанское (Армавир), Грузинское, Камчатское промысловое управление (Петропавловск-Камчатский). НПО “Союзбургеотермия” до 1987 г. выполняло научно–исследовательские и опытно-конструкторские работы, разработку генеральных схем освоения геотермальных месторождений, бурение новых геотермальных и восстановление нефтяных и газовых скважин, добычу геотермальной воды. ВНИПИгеотерм разработал Генеральную схему освоения геотермальных вод СССР до 2000 г. В России по разведданным запасам и добыче геотермальной воды лидирует Дагестан. Открыто 12 месторождений с запасами 82 тыс. м3/сут, пробурено и восстановлено из ликвидированного нефтяного фонда более 130 скважин. С 1966 г. успешно работают системы геотермального теплоснабжения городов Махачкала, Кизляр Избербаш, других населенных пунктов. Из недр добыто более 200 млн м3 термальной воды, отпущено потребителям 10 млн Гкал тепловой энергии, сэкономлено более 2 млн т.у.т [16]. Эксплуатируются в основном 4 геотермальных месторождения: Махачкала – Тернаирское (48 скважин); Кизлярское (17 скважин); Избербашское (16 скважин); Каякенткое (4 скважин). Самые глубокие (5500 м) в мире  геотермальные скважины были пробурены на Тарумовском месторождении (Курбанов М.К. Гидротермальные и гидроминеральные ресурсы Восточного Кавказа и Предкавказья. М.: Наука. 2001). Температура на глубине 5500 м – 198оС, на устье скважин 170оС. Дебиты пароводяной смеси до 7000 м3/сут. при давлении на устье 7 МПа. В каждом кубометре воды содержится до 4.5 м3 газа. Общая минерализация – до 200 г/л. При преобладании ионов хлора и натрия высоко содержание лития, рубидия, цезия, йода, брома, стронция. В настоящее время эксплуатацией геотермальных месторождений в Дагестане занимается ООО “Геоэкопром”. Опыт геотермального теплоснабжения Дагестана в книге[19] был обобщён сотрудниками Дагестанского филиала ЭНИН (Махачкала). Это вторая в СССР книга после монографии Б.А. Локшина [14], не потерявшая актуальности до настоящего времени. Авторами отмечены следующие проблемы: малая степень использования теплового потенциала скважин, отсутствие водоподготовки, низкая рентабельность, несовершенство схем геотермального теплоснабжения. Разработаны методика оценки экономической целесообразности геотермального теплоснабжения и структуры себестоимости термальной воды. Сотрудник Дагестанского филиала ЭНИН со дня основания, ученик С.А. Джамалова – Г.Б. Бадавов в настоящее время продолжает работать в Институте проблем геотермии. Впервые в отечественной практике в 1987–1989 гг. Г.М. Гайдаровым была разработана и апробирована на Кизлярском и Тернаирском месторождениях геотермальная самоциркуляционная система (ГСС), в которой вода от продуктивной скважины поступает в нагнетательную за счёт эффекта термолифта-термопресса (разность плотностей геотермальной воды..

ИПГ ДНЦ РАН внёс значительный вклад в развитие геотермических исследований в России. ИПГ – единственный институт в Российской академии наук, занимающийся проблемами освоения геотермальной энергии. Сотрудниками института опубликовано более 40 монографий по различным аспектам оценки, изучения и освоения геотермальных ресурсов разного энергетического потенциала. 

На Северном Кавказе, по данным д.т.н. А.Б. Алхасова [13], на втором месте по эксплуатационным запасам геотермальных месторождений – Чеченская республика – 65 тыс. м3/сут с 14 месторождениями. В 1994 г. годовая добыча геотермальной воды составила 8.8 млн м3 в год. Уникально Ханкальское месторождение в 10 км от Грозного, на котором с 1932 по 1989 г. было пробурено 42 геотермальные скважины. На этом месторождении в 1967 г. эксплуатировалось 36 скважин и добывалось 7 млн м3 геотермальной воды в год. В промышленной эксплуатации XIII пласт этого месторождения находится с 1974 г. Уникальность этого месторождения состоит в высоких энергетических характеристиках (температура на устье 95ºС, дебит каждой скважины до 3000 м3/сут), низкой минерализации – около 2 г/л, а также хорошей приёмистости пластов для реинжекции. Эксплуатацией этого месторождения занималось Северо-Кавказское управление по использованию глубинного тепла Земли. В 1981 г. на этом месторождении впервые в СССР были выполнены экспериментальные работы по реинжекции. Геотермальная вода из 5 продуктивных скважин с температурой 90–95ºС после охлаждения в теплицах до 35–45оС закачивалась в 4 скважине того же пласта. Успешная реинжекция осуществлялась с 1981 по 1986 г. В 1981 году институт ЦНИИЭПИО (Москва) разработал технико-экономический доклад о геотермальном теплоснабжении г. Грозного с реинжекцией отработанного теплоносителя.

В 1991–1995 гг. в ходе чеченской войны система геотермального теплоснабжения была разрушена, однако скважинный фонд находится в удовлетворительном состоянии. Возрожденная в 2013 г. чеченская геотермальная научная школа была создана в Грозненском государственном нефтяном техническом университете им. академика М.Д. Миллионщикова, под руководством д.т.н. М.Ш. Минцаева в сотрудничестве с Государственным геологическим музеем РАН им. В.И. Вернадского в Москве (к.г.-м.н. С.В. Черкасов).. В 2015 г. на Ханкальском месторождении для теплоснабжения 3 га теплиц была построена геотермальная система теплоснабжения мощностью 8.7 МВт с реинжекцией отработанного теплоносителя (Рис. 3). Математическое моделирование разработки месторождения, оптимальное проектирование скважин, обустройство месторождения, центрального геотермального теплового пункта обеспечило успешную реализацию данного проекта. Продуктивная скважина на глубине 900 м с погружным насосом обеспечивает на устье дебит без насоса – 75 м3/ч, с насосом – 210 м3/ч при температуре 95ºС. На расстоянии 10 м от устья продуктивной скважины была пробурена реинжекционная скважина методом наклонного бурения на глубину около 1000 м. Расстояние между забоями продуктивной и реинжекционной скважинами составило 500 м. Приёмистость реинжекционной скважины составила без насоса 15÷22 м3/ч, при работе насоса – 201 м3/ч. Краснодарский край на втором месте в России после Дагестана по добыче и использованию геотермальной воды. В советское время реализовалась краевая комплексная межведомственная программа. Бурение новых скважин выполнялось по заявкам местных администраций. В Краснодарском крае разведано 16 геотермальных месторождений, на которых пробурено 74 скважины глубиной 1700–2900 м с температурами 75–120ºС и дебитами 500–4000 м3/сут. Расчётная тепловая мощность данных месторождений составляет 238 МВт с возможной выработкой тепловой энергии 834 МВт•ч/год и замещением органического топлива 103 тыс. т.у.т [20]. Было начато сооружение реинжекционной системы Мостовского месторождения – 17 скважин (пробурены реинжекционные скважины, построено здание насосной, укомплектовано оборудование). С началом перестройки в стране реализация этого проекта была приостановлена. Для разведки новых геотермальных месторождений использовались материалы инициаторов геотермии – сотрудников института “КраснодарНИПИнефть” к.г.-м.н. В.С. Котова и к.г.-м.н. В.Н. Матвиенко, которыми в 1956–1963 гг. в 200 нефтяных скважинах были выполнены измерения характеристик термальных вод и на их основе районирования края по перспективности геотермальных ресурсов.

В настоящее время эксплуатируется 12 геотермальных месторождений, из них по пяти утверждены запасы 27750 м3/сут. Четыре геотермальных месторождения простаивают без потребителей. Наиболее крупные – действующее Мостовское месторождение (17 скважин, 75ºС, 45 МВт); Вознесенское и Южно-Вознесенское (15 скважин, 100ºС, 50 МВт). Минерализация геотермальной воды этих месторождений не превышает 2 г/л и по основным показателям соответствует стандарту питьевого водоснабжения В 1985 г. годовая добыча геотермальной воды в Краснодарском крае достигла 8.5 млн м3. Отапливались жилые дома 7 населённых пунктов и 30 га теплиц. Классическим примером каскадного срабатывания теплового потенциала геотермальной воды была Мостовская система. Геотермальный теплоноситель вначале поступал на отопление зданий, в теплицы для выращивания помидоров, огурцов, лимонов. Далее с температурой 30ºС геотермальная вода поступала в рыборазводные пруды. Теплоснабжение жилых и социальных объектов пос. Мостовского обеспечивалось от 3 геотермальных скважин с дебитами на устье 1500 м3/сут и температурой 75ºС. На основе двух из них в 1982–1987 гг. под руководством д.т.н. В.А. Бутузова (1949 г.р.) была разработана и построена геотермальная система теплоснабжения мощностью 2 МВт с утилизацией тепла отработанной геотермальной воды тепловыми насосами мощностью 600 кВт. Данная система была дополнена пиковой котельной мощностью 5 МВт. В 1987 г. институтом ЦНИИЭПИО (к.т.н. В.И. Красиков) совместно с институтом Гипрокоммунэнерго (Москва) была разработана схема перспективного развития теплоснабжения пос. Мостовского на 10 лет, которая предусматривала подключение на отопление и ГВС поселка дополнительно 5 скважин и создание комбинированной системы централизованного теплоснабжения с пиковой котельной и тепловыми насосами общей мощностью 19.7 МВт. В 2004 г. фирмой “Геотерм-М” (Москва) под руководством д.т.н. Г.В. Томарова было разработано технико-экономическое обоснование геотермального теплоснабжения на базе 14 скважин с учётом жилых и социальных объектов посёлка, тепличного комплекса, рыборазводного хозяйства, бассейнов общей мощностью 47 МВт.

В 2003 г. в соответствии с Программой энергосбережения Краснодарского края геотермальная энергетика получила новый импульс развития. Были разработаны технико-экономические обоснования геотермального теплоэлектроснабжения городов Лабинска, Усть-Лабинска, Горячего Ключа, Анапы, Апшеронска, посёлков Мостовского и Розового. При этом ТЭО геотермального электротеплоснабжения г. Лабинска (установленная тепловая мощность 100 МВт, электрическая – 2.5 МВт) прошёл экспертизу Всемирного банка. ТЭО геотермального электротеплоснабжения г. Усть-Лабинска (установленная тепловая мощность 42 МВт, электрическая – 2 МВт) был выполнен на основании гидрогеологического прогноза по материалам 27 газовых скважин глубиной до 3500 м. В соответствии с утверждённым ТЭО геотермального теплоснабжения пос. Розового в 2012 г. под руководством д.т.н. В.А. Бутузова была построена I очередь геотермального теплоснабжения тепловой мощностью 5 МВт (Рис. 4). Особенность данной системы – создание геотермально-солнечной системы, в которой гелиоустановка мощностью 110 кВт в летнее время обеспечивает горячее водоснабжение жилых и социальных объектов с возможностью остановки геотермальной скважины для восстановления пластового давления. В Краснодарском крае с 1961 г. работал единственный в России Троицкий завод по извлечению йода из геотермальной воды. В настоящее время его деятельность приостановлена. В соответствии с Атласом энергетического потенциала геотермальные ресурсы Крыма оценены в 775 тыс. т.у.т в год при выработке тепловой энергии 9011 млн кВт•ч/год Геологоразведочные работы в этом регионе начались в семидесятые годы, было пробурено 26 геотермальных скважин и построено 12 систем теплоснабжения с дуплетными скважинами (продуктивная и реинжекционная), в том числе 5 геотермально-циркуляционных систем (ГЦС) в Красногвардейском, 5 – в Сакском и Джанкойском районах – 2 ГЦС с дебитом каждой скважины от 670 до 4925 м3/сут с температурой 60–87ºС при глубине скважин от 1000 до 2300 м. Разработкой проектов геотермальных систем теплоснабжения Крыма занимались Институт технической теплофизики АН УССР и Институт возобновляемой энергетики НАН Украины . Первая ГЦС была построена в 1986 г. в с. Ильинка Сакского района. Она проработала 3 года. Более 10 лет (1993–2003) работала ГЦС тепловой мощностью 2 МВт в с. Янтарное Красногвардейского района. Уникальная геотермальная система энерго- и теплоснабжения работала с 1993 по 2017 г. в с. Медведевка Джанкойского района. Тепловая мощность ГЦС – 1 МВт, электрическая мощность газогенератора на отсепарированном из геотермальной воды метане составила 60 кВт, мощность пикового газового котла на метане – 100 кВт. Расстояние между продуктивной и реинжекционной скважинами 400 м. Реинжекционный насос при расходе 25 м3/ч обеспечивал давление 1.5 МПа. В настоящее время геотермальные системы теплоснабжения в Крыму не эксплуатируются.

4. Выводы

1. Краткий обзор столетнего опыта работы российских научных и инженерных геотермальных школ показал, что до 1990 г. они были мировыми лидерами по всему спектру достижений: геологические исследования, методы моделирования и разведки, создание первой в мире бинарной геотермальной электростанции, строительство крупных централизованных систем теплоснабжения. Уникальная советская модель экономики позволяла на основе результатов научных исследований развернуть широкое практическое использование геотермальных ресурсов.

2. После 1992 г. достижения геотермальной науки в России оказались не востребованными. Практически прекращены масштабные геологические исследования, моделирование разработки месторождений, их разведка. Проводится единичное бурение скважин. Достижения начала 2000-х по созданию российской геотермальной школы турбинного и другого геотермального оборудования не получили должного развития. Уникальный бинарный энергоблок установленной мощностью 2.5 МВт на Камчатке до настоящего времени не введён в эксплуатацию. Работы единственного в России Института проблем геотермии РАН в Махачкале не востребованы в должной мере. Тысячи геотермальных скважин в России, каждая из которых в современных ценах стоит 60–100 млн руб. используются нерационально в основном на теплоснабжение построенных в советское время систем отопления населённых пунктов и теплиц.

3. С 90-х годов прошлого века в России стала развиваться поверхностная геотермия с использованием тепловых насосов для теплоснабжения. Выполнены масштабные исследования геотермальных условий на глубинах до 400 м территории страны, Северо-Кавказского и Московского регионов. Разработаны методики и сооружены объекты для использования тепла поверхностных слоев Земли с использованием тепловых насосов.

4. В современных российских условиях для развития геотермии в первую очередь необходимо выполнить научные исследования по анализу как советского, так и зарубежного опыта, которые по плечу только РАН. Экономическая целесообразность развития геотермии в новых российских экономических условиях с учётом перспективного топливно-энергетического баланса и задач развития арктических территорий страны, необходимо тщательно изучать.

Литература

  1. Томаров Г.В. Шипков А.А. Всемирный геотермальный конгресс WGC-2015// Теплоэнергетика.2016.№ 8. С.77-80.
  2. Бутузов В.А., Амерханов Р.А., Григораш О.В. Геотермальное теплоснабжение в мире и в России: состояние и перспективы// Теплоэнергетика. 2018. № 5. С45-49.
  3. Маврицкий Б.Ф., Локшин Б.А., Вольфенфельд А.В.Прогнозные запасы термальных вод СССР и возможные объемы внедрения геотермального теплоснабжения. –М.: Наука 1973. С87-97.
  4. Алхасов А.Б. Возобновляемые энергетика.-М.: Физматиз. 2010. 256с.
  5. Макаренко Ф.А. и др. Геотермическая карта СССР в масштабе 1:5000000. Объяснительная записка-М.: Наука. 1972. 39с.
  6. Богуславский Э.И. Освоение тепловой энергии недр.  М.:Спутник. 2018. 448с.
  7. Алхасов А.Б. Освоение низкопотенциального геотермального тепла. -М.: Физматлит. 2017. 277с.
  8. Правила разработки  месторождений теплоэнергетических водПБ-07-599-03 Госгортехнадзор России [электронный ресурс] www.goshelp.ru дата обращения 20.03.2019 г.
  9. Атлас карт ресурсов термальных вод СССР / Министерство геологии СССР. ВСЕГИНГЕО. Л. 1984. 15 л.
  10. Дядькин Ю.Д. Разработка геотермальных месторождений. М.: Недра. 1989.
  11. Кремнев О.А., Журавленко В.Я., Шурчков А.В. К вопросу освоения тепла глубинных горных пород / Изучение и использование глубинного тепла Земли. М.: Наука. 1973.
  12. Морозов Ю.П. Добыча геотермальных ресурсов и аккумулирование теплоты в подземных горизонтах. Киев: Наукова Думка, 2017.
  13. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. М.: Физматлит, 2008.
  14. Локшин Б.А. Использование геотермальных вод для теплоснабжения. М.: Стройиздат. 1974.
  15. Нормы проектирования. ВСН 56-87. Геотермальное теплохладоснабжение жилых и общественных зданий. М.: Стройиздат. 1989.
  16. Васильев В.А., Поваров О.А., Разаренов В.П. Состояние и перспективы развития геотермальной энергетики в России / Проблемы развития геотермальной энергетики в странах СНГ и деятельность международного Гео-фонда // Материалы семинара 25–26 ноября 2003 г. М.: ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, 2003.
  17. Геотермальная энергетика / Г.В. Томаров, А.И. Никольский, В.Н. Семенов, А.А. Щипков. М.: Теплоэнергетик. 2015.303с.
  18. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. ООО «Печатный салон “Граница”» М., 2006. 176 с.
  19. Геотермальное теплоснабжение / А.Г. Гаджиев, Ю.И. Султанов, П.Н. Ригер и др. М.: Энергоатомиздат, 1984. 120с.
  20. Бутузов В.А., Томаров Г.В. Геотермальное энергоснабжение южного региона России. Ресурсы, использование, перспективы. Saar-Brucken. Deutchland: Lambert Academie Publishing, 2012. с.242.

Reference

  1. Tomarov G.V. Shipkov A.A. World Geothermal Congress WGC-2015 // Thermal Engineering. 2016. No. 8. P.77-80.
  2. Butuzov V.A., Amerkhanov R.A., Grigorash O.V. Geothermal heat supply in the world and in Russia: state and prospects // Thermal engineering. 2018. No. 5. C45-49.
  3. Mavritsky B.F., Lokshin B.A., Wolfenfeld A.V. Forecasted reserves of thermal waters of the USSR and possible volumes of introduction of geothermal heat supply. –M .: Science 1973. P.87-97.
  4. Alkhasov A.B. Renewable energetics.-M.: Fizmatiz. 2010.256 p.
  5. Makarenko F.A. et al. Geothermal map of the USSR on a scale of 1: 5,000,000. Explanatory Note-M.: Science. 1972. 39p.
  6. Boguslavsky E.I. Development of thermal energy of the subsoil. M.: Sputnik. 2018.448 p.
  7. Alkhasov A.B. The development of low-potential geothermal heat. -M .: Fizmatlit. 2017. 27p.
  8. Rules for the development of heat and water water deposits PB-07-599-03 Gosgortekhnadzor of Russia [electronic resource] www.goshelp.ru appeal date 03/20/2019
  9. Atlas of maps of resources of thermal waters of the USSR / Ministry of Geology of the USSR. VSEGINGEO. L. 1984. 15 l.
  10.  Dyadkin Yu.D. Development of geothermal deposits. M .: Subsoil. 1989.
  11. Kremnev O.A., Zhuravlenko V.Ya., Shurchkov A.V. To the question of the development of heat of deep rocks / Study and use of the deep heat of the Earth. M .: Science. 1973.
  12. Morozov Yu.P. The extraction of geothermal resources and the accumulation of heat in underground horizons. Kiev: Naukova Dumka, 2017.
  13. Alkhasov A.B. Geothermal energy: problems, resources, technologies. M .: Fizmatlit, 2008.
  14. Lokshin B.A. Use of geothermal water for heat supply. M .: Stroyizdat. 1974.
  15.  Design standards. BCH 56-87. Geothermal heat and cold supply of residential and public buildings. M .: Stroyizdat. 1989.
  16. Vasiliev V.A., Povarov O.A., Razarenov V.P. The State and Prospects of the Development of Geothermal Energy in Russia / Problems of the Development of Geothermal Energy in the CIS Countries and the Activities of the International Geo-Fund // Materials of the seminar November 25–26, 2003 M .: ENIN im. G.M. Krzhizhanovsky, 2003.
  17. Geothermal energy / G.V. Tomarov, A.I. Nikolsky, V.N. Semenov, A.A. Schipkov. M .: Heat power engineering. 2015. 303 p.
  18. Vasiliev G.P. Heat and cold supply of buildings and structures using low-potential thermal energy of the surface layers of the Earth. LLC “Printing Salon“ Border ”” M., 2006. 176 p.
  19. Geothermal heat supply / A.G. Gadzhiev, Yu.I. Sultanov, P.N. Ri-ger et al. M .: Energoatomizdat, 1984. 120 p.
  20. Butuzov V.A., Tomarov G.V. Geothermal energy supply of the southern region of Russia. Resources, use, prospects. Saar-Brucken. Deutchland: Lambert Academie Publishing, 2012. p. 244.