В этой статье представлены результаты исследований российских научных организаций по глубинной и поверхностной геотермии. Показана перспективность исследований по разработке и сооружению скважин со сверхкритическими параметрами теплоносителя у подножия вулканов на Камчатке. Представлены направления и наиболее важные результаты исследований отечественной научной школы геотермальной электрогенерации. Отмечены результаты работ российских научно-исследовательских организаций в области геотермальной теплогенерации в Краснодарском крае, Чечне и Дагестане.

Введение

В 2021 году геотермальная энергетика Российской Федерации имела установленную мощность ГеоЭС — 74 МВт, мощность теплогенерации — 110 МВт, выработку электрической энергии — 280 ГВт·ч/год, тепловой энергии — 428 ГВт·ч/год. В стране эксплуатировались три пароводяных геотермальных месторождения с 95 скважинами, из которых в 2021 году было добыто 13 млн тонн пароводяной смеси (ПВС). На 33-х гидрогеотермальных месторождениях с 101-й скважиной было добыто 25,7 млн м³/год. Состояние российской геотермальной энергетики (на 2019 год) описано в статье [1].

Геотермальная энергетика, как объект научных исследований, имеет междисциплинарный характер и включает вопросы геологии и геофизики, технологий бурения, разработки и эксплуатации месторождений, технологий и оборудования электрогенерации и теплоснабжения.

В зависимости от температуры теплоносителя, поступающего из недр Земли, различают глубинную и поверхностную геотермию (глубина менее 400 м). В формировании ресурсов поверхностной геотермии решающее значение имеет воздействие солнечной радиации на поверхность Земли. Глубинная геотермия, в зависимости от вида горных пород, разделяется на петрогеотермальную (тепло «сухих» пород) и геотермальную (парои водонасыщенные породы).

Отечественная геотермия достигла значительного развития в 1980–2000 годах [2]. Научные исследования в этой области знаний тогда возглавляла Академия наук СССР, а в работе под её руководством участвовало более 50 организаций. Разведкой, бурением, эксплуатацией геотермальных месторождений занимался Мингазпром СССР, в составе которого научно-производственное объединение (НПО) «Союзгеотерм» выполняло весь комплекс геотермальных исследований. Максимальная добыча геотермальной воды в СССР была достигнута в 1985 году — 60 млн м³/год. Установленная мощность ГеоЭС в 1999 году составляла 24 МВт, а геотермальной теплогенерации — 308 МВт.

Геотермальная наука в СССР имела четыре основные научные школы: московскую (Геологический институт АН СССР, Объединённый институт физики Земли, Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского), ленинградскую (Ленинградский горный институт), киевскую и дагестанскую (НПО «Союзгеотерм»).

В 1996–2012 годах наиболее значимых результатов достигла научная школа геотермальной энергетики д.т.н., профессора О. А. Поварова. Созданная в НИУ «МЭИ» на основе экспериментальной базы опытной ТЭЦ, эта школа в творческом содружестве с Калужским турбинным заводом (ПАО «КТЗ») обеспечила разработку и изготовление геотермальных паровых турбин мирового уровня и сооружение на их основе новых российских ГеоЭС.

Геотермальные ресурсы

Первые системные научно-технические разработки в области геотермальной энергетики в России были начаты в 1954 году по решению президиума Академии наук СССР о создании в городе Петропавловске-Камчатском лаборатории по исследованию геотермальных ресурсов.


Ключевская сопка на Камчатке — самый высокий (4850 м) активный вулкан в Евразии

По инициативе и под руководством академика АН СССР М. А. Лаврентьева в 1955 году было выполнено первое системное изучение гидротермальных ресурсов страны. В России на основе проведённого экспедиционного обследования геотермальных источников Камчатки и многолетних исследований советских учёных были разработаны атласы и карты геотермальных ресурсов СССР. В работе [3] представлены ресурсы геотермальных водяных источников, а в [4] они дополнены петрогеотермальными ресурсами.

В настоящее время исследования в области петрогеотермальных ресурсов ведутся группой учёных под руководством д.т.н., профессора Э. И. Богуславского. Он является известным российским специалистом по ресурсам поверхностной геотермии (до 400 м). В его монографии [5] представлены карты «нейтрального» слоя территории России, распределения температур горных пород на глубинах до 200 м, результаты исследований конвективного теплообмена в проницаемых водонасыщенных горных породах и при обтекании ствола геотермальной скважины подземными водами. Исследования в области поверхностной геотермии выполняют специалисты под руководством д.т.н. Г. П. Васильева. Ими изучен теплообмен в горных породах с учётом фазового перехода грунтовых вод, а также разработаны теоретические основы этих процессов, результаты которых изложены в монографии [6], получены результаты моделирования теплообмена в горных породах средней полосы России, представленные в статье [7].

Ведущей научной организацией страны по глубинной геотермии, в том числе по изучению парогидротермальных месторождений, является Институт вулканологии и сейсмологии (ИВиС) ДВО РАН, находящийся в городе Петропавловске-Камчатском. Результаты его оценки запасов пароводяных и водяных геотермальных ресурсов Камчатки представлены в статье [8]. ИВиС выполняет исследования по изучению технических возможностей и технико-экономической целесообразности бурения и использования геотермальных скважин со сверхкритическими параметрами у подножья камчатских вулканов [9]. В международных научных конференциях, организованных ИВиС, регулярно принимают участие до 130 учёных, в том числе ведущие специалисты из зарубежных стран.


Институт вулканологии и сейсмологии (ИВиС) ДВО РАН был основан в 1962 году

Традиции дагестанской научной геотермальной школы с 1980 года продолжает Институт проблем геотермии и возобновляемой энергетики (ИПГиВЭ) ОИВТ РАН в городе Махачкале. В его составе — 130 кандидатов и докторов наук, работающих в областях геологии, геофизики, технологий бурения и разработки месторождений, электрои теплогенерации, извлечения редких химических реагентов.

Руководителем ИПГиВЭ ОИВТ РАН является д.т.н., профессор А. Б. Алхасов, в монографиях [10, 11] и сборнике [12] которого представлены основные наиболее значимые результаты многолетних исследований института.


Геологический институт (ГИН) РАН был основан в 1930 году. Основные направления исследований института: тектоника, литология, стратиграфия и четвертичная геология

Геологический институт РАН (Москва) представляет московскую научную школу в области глубинной геотермии. В работах д.г.-м.н. М. Д. Хуторского с соавторами [13, 14] выполнены оценки (на 2010 год) геотермальных ресурсов Российской Федерации, определены современные тенденции и перспективы развития геотермии в нашей стране [15].


Геологический музей (ГГМ) РАН содержит более 60 тыс. образцов минералов со всего мира

В московском Геологическом музее им. В. И. Вернадского под руководством д.т.н. С. В. Черкасова также ведутся научные исследования по использованию геотермальных ресурсов в теплоснабжении. Так, при его активном участии была разработана и в 2015 году реализована геологическая модель Ханкальского геотермального месторождения и создана автономная система геотермального теплоснабжения в Чеченской Республике [16, 17].

Исследованиями пароводяных и геотермальных скважин в Дальневосточном научном центре (ДНЦ) РАН руководит д.т.н. А. Н. Шулюпин [18, 19].

Геотермальная электрогенерация

Советская научная школа геотермальной электроэнергетики в лице Института технической теплофизики в Новосибирске (под руководством д.т.н. С. С. Кутателадзе) и Новосибирского филиала института «Теплоэлектропроект» (во главе с к.т.н. Б. М. Выморковым) разработала и обеспечила в 1966 году сооружение первой в СССР Паужетской ГеоЭС прямого цикла на Камчатке, которая состояла из двух энергоблоков мощностью по 2,5 МВт каждый с турбинами МК-2,5–1,8 Калужского турбинного завода [20]. После строительства второй очереди в 1982 году установленная мощность Паужетской ГеоЭС достигла 11 МВт.

По проекту Новосибирского отделения Государственного проектного и научно-исследовательского института АН СССР (ГипроНИИ) в 1967 году была сооружена экспериментальная бинарная Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт [1]. Впервые была реализована технология преобразования низкотемпературного тепла в электроэнергию с использованием органического цикла Ренкина (с использованием низкокипящего органического рабочего тела). В дальнейшем бинарные энерготехнологии получили широкое распространение за рубежом для утилизации тепла геотермальных ресурсов и сбросного теплоносителя промышленных предприятий. К сожалению, после этого в нашей стране, обладающей огромными запасами углеводородного топлива, технологии геотермальной электрогенерации долгое время оставались невостребованными.

Новый этап развития отечественной геотермальной электроэнергетики начался в 1990 году, когда в рамках реализации Государственной научно-технической программы (ГНТП) СССР «Экологически чистая энергетика» под руководством д.т.н., профессора МЭИ О. А. Поварова были возобновлены научно-технические исследования и разработки по созданию отечественного геотермального энергетического оборудования.

В течение 10–15 лет, совместными усилиями АО «Наука», ООО «Геотерм-ЭМ», Научно-исследовательского и учебного центра геотермальной энергетики (НУЦ Гео) Московского энергетического института, Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института атомного и энергетического машиностроения (ВНИИАМ), а также других научных организаций был выполнен комплекс фундаментальных исследований в области геотермальной энергетики, включая следующие:

  • разработку ряда лабораторных и натурных экспериментальных стендов, установок и приборов;
  • проведение физико-химических исследований геотермального теплоносителя, течения многофазных и многокомпонентных сред, процессов и закономерностей эрозионно-коррозионного воздействия теплоносителя на металл геотермального энергетического оборудования;
  • разработку технологий и уникального оборудования для геотермальных электростанций, работающих на пароводяном теплоносителе.

В результате сформировалась российская научная школа д.т.н. О. А. Поварова, были разработаны и созданы новые российские ГеоЭС на Камчатке и Курильских островах, за что в 2003 году О. А. Поварову и коллективу учёных и специалистов была присуждена Государственная премия РФ по науке и технике.

Силами учёных и инженеров НУЦ Гео МЭИ, АО «КТЗ», ООО «Геотерм-ЭМ», АО «Наука», ВНИИАМ, ЭНИН и других российских организаций было разработано уникальное оборудование для Верхне-Мутновской ГеоЭС мощностью 12 МВт, запущенной в эксплуатацию на Камчатке в 1999 году, включая турбоагрегаты мощностью по 4 МВт каждый с системой внутриканальной сепарации и поворотными отсечными клапанами типа «баттерфляй», уникальные сепараторы, расширители и паросборники горизонтального типа с новым принципом гравитационного осаждения жидких частиц, а также воздухоохлаждаемые конденсаторы поверхностного типа. Этот опыт был использован при разработке и создании оборудования флагмана российской геотермальной электроэнергетики — Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт с двумя энергоблоками по 25,0 МВт каждый.

Учёные научной школы геотермальной электроэнергетики, созданной О. А. Поваровым (д.т.н. Г. В. Томаров, к.т.н. В. Н. Семёнов, к.т.н. А. И. Никольский, к.т.н. А. А. Шипков и другие специалисты, объединившиеся с 2007 года в научно-технической компании ООО «Геотерм-ЭМ»), продолжили исследования в области геотермальных бинарных технологий с низкокипящим рабочим телом. Ими была разработана технологическая схема бинарного энергоблока мощностью 2,5 МВт для уникальной Паужетской ГеоЭС [20] и рассчитаны её параметры.

При поддержке Министерства образования и науки РФ ООО «Геотерм-ЭМ» (директор — д.т.н. Г. В. Томаров) выполнило комплекс научных исследований в области оптимизации технологии и выбора низкокипящего органического рабочего тела геотермальных бинарных энергоустановок [21]. Получены результаты исследований по повышению эффективности использования тепла геотермального теплоносителя различного температурного уровня (70, 120 и 180°C) на основе применения мультикаскадных геотермальных энергокомплексов [22, 23], а также путём использования водородно-кислородных парогенераторов для перегрева пара вторичного вскипания [24].


Мутновская ГеоЭС (50 МВт) на Камчатке — крупнейшая геотермальная электростанция России

Помимо этого, наряду с осуществлением научно-технического сопровождения ГеоЭС, на Камчатке были разработаны технические предложения и технико-экономические обоснования по модернизации действующих Верхне-Мутновской ГеоЭС и Мутновской ГеоЭС путём их расширения паровыми турбинами на паре вторичного вскипания и бинарными энергоблоками на основе утилизации тепла сбросного геотермального теплоносителя без бурения дополнительных скважин [25]. Эти разработки должны лечь в основу дальнейшего развития отечественных технологий геотермальной электрогенерации.

Геотермальная теплогенерация

Во времена СССР ведущей научной школой геотермального теплоснабжения была дагестанская. В 1980-х годах в НПО «Союзгеотерм» коллектив учёных и инженеров во главе с к.т.н. М. М. Алиевым создал геотермальные системы, в том числе с реинжекцией отработанного теплоносителя, использованием геотермальной воды двух разных геологических пластов и тепловыми насосами [1]. Результатом работы украинской геотермальной научной школы под руководством д.т.н. Ю. П. Морозова было сооружение нескольких геотермальных систем теплоснабжения (ГСТ) в Крыму, в том числе с использованием отсепарированного из геотермальной воды метана для электрогенерации и пикового догрева теплоносителя [2].

В постсоветское время дагестанскую научную геотермальную школу возглавил и продолжает более 40 лет ею руководить д.т.н., профессор А. Б. Алхасов в Институте проблем геотермии и возобновляемой энергетики (ИПГиВЭ) ОИВТ РАН. В монографиях [10, 11] д.т.н. А. Б. Алхасовым изложены результаты многолетних геотермальных исследований, в том числе по теплогенерации. В 2021 году по добыче геотермальной воды, установленной мощности ГСТ и реализации тепловой энергии Дагестан занимал второе место в Российской Федерации после Камчатки. Перспективы развития дагестанских ГСТ представлены в статьях [26, 27], а результаты разработок ГСТ ИПГиВЭ отмечены в сборнике докладов [12]. Р. М. Алиевым исследуются вопросы технологии геотермального бурения [28].

Подготовка бакалавров по геотермальной энергетике ведётся в Дагестанском государственном университете (ДГУ), а учёных — в аспирантуре ИПГиВЭ.

Научной геотермальной школой д.т.н., профессора О. А. Поварова с 2008 года развивалось и геотермальное теплоснабжение [20]. Для посёлка Розового Краснодарского края д.т.н. Г. В. Томаровым, совместно с д.т.н. В. А. Бутузовым (компания ООО «Энерготехнологии-Сервис»), в 2012 году была разработана и реализована первая очередь ГСТ расчётной тепловой мощностью 5 МВт [29], особенностью которой является строительство геотермального насосного модуля для стабилизации гидравлического режима работы скважины, геотермального центрального теплового пункта с гелиоустановкой для замещения скважины в межотопительный период [30]. Дополнительно для пяти городов и населённых пунктов Краснодарского края были разработаны схемы перспективного геотермального теплоснабжения [20].

Геотермальная система теплоснабжения с реинжекцией отработанного геотермального теплоносителя расчётной мощностью 7,5 МВт была разработана и построена на Ханкальском месторождении в Чеченской Республике в 2015 году научным коллективом под руководством д.т.н. М. Ш. Минцаева, ныне ректора Грозненского нефтяного университета (ГГНТУ им. акад. М. Д. Миллионщикова) [31]. Особенностью этого комплексного проекта являлось моделирование геотермального месторождения [16, 32], дуплетное бурение двух скважин, в том числе наклонной для реинжекции, организация насосной и термосифонной циркуляции, геотермальная система отопления теплиц [33]. Результаты анализа современного опыта создания российских ГСТ приведены в статьях [29, 30].

Выводы

1. Геотермальная энергетика является одним из развивающихся сегментов возобновляемой энергетики России и имеет более чем столетнюю историю. Современная разведанная ресурсная база страны позволяет в разы увеличить мощности ГеоЭС и ГСТ. В России работает несколько научных школ по изучению геотермальных ресурсов, среди которых ведущими являются ИВиС ДВО РАН и ИПГиВЭ ОИВТ РАН. Моделирование разработки геотермальных месторождений реализовано при сооружении Ханкальской ГСТ.

2. Учёные научной школы геотермальной электроэнергетики, созданной д.т.н., профессором О. А. Поваровым в период разработки и сооружения российских геотермальных электростанций с 1996 по 2002 годы (Верхне-Мутновская ГеоЭС и Мутновская ГеоЭС), объединившиеся позднее в компании ООО «Геотерм-ЭМ» (директор — д.т.н. Г. В. Томаров), продолжают выполнять исследования и разработки по совершенствованию действующих отечественных ГеоЭС и перспективных геотермальных энергоблоков с органическим циклом Ренкина.

3. В области геотермальной теплогенерации ведут исследования в основном д.т.н. В. А. Бутузов (ООО «Энерготехнологии-Сервис»), д.т.н. А. Б. Алхасов (ИПГиВЭ). Разработки поверхностных ГСТ выполняет д.т.н. Г. П. Васильев.