Геотермальные электростанции России

Российская геотермальная энергетика основана как советский проект, предусматривавший широкомасштабное комплексное использование этого возобновляемого источника энергии. С 1954 года соответствующими научными исследованиями занимались более 60 институтов. Министерством газовой промышленности СССР были пробурены более 3000 геотермальных скважин глубиной до 5,5 км, созданы пять региональных управлений по использованию глубинного тепла Земли, работало специализированное НПО «Союзбургеотермия».

Геотермальная электроэнергетика, в отличие от других технологий использования энергии Земли, требует высоких значений температур теплоносителя. В России регионами, где имеются пароводяные геотермальные месторождения, являются Камчатка и Курильские острова (рис. 1). Ещё в 1737 году знаменитый русский путешественник С. П. Крашенников разведывал геотермальные источники Камчатки. Систематическое изучение их было начато в 1930-е годы видным геологом Б. И. Пийпом (1906–1966), издавшим в 1937 году книгу [2] и организовавшим геотермальные исследования. В 1962-м Б. И. Пийп создал Институт вулканологии и сейсмологии АН СССР в городе Петропавловске-Камчатском. Таким образом, создание Камчатской геотермальной научной школы можно датировать 1937 годом, а отличительной особенностью данной школы являются исследования высокотемпературных месторождений.

После военных лет развитие экономики Камчатки потребовало строительства электростанций, и в 1948 году главный энергетик треста «Сахалинрыбпром» А. А. Гавронский (1903–1971) получил авторское свидетельство на производство электроэнергии из геотермальных источников, что позволило ему в 1949 году обратиться к И. В. Сталину (как к Председателю Совета Министров) с предложением о развитии геотермальной энергетики.

После всестороннего и дискуссионного рассмотрения данного вопроса в Академии наук СССР, при поддержке академика М. В. Кирпичёва (1878–1955), выдающегося теплоэнергетика и основателя советской научной школы котлостроения, первый заместитель Председателя Совмина В. М. Молотов поручил АН СССР приступить к геотермальным исследованиям.

В 1954 году президиум АН СССР направил из Москвы на Камчатку экспедицию Лаборатории вулканологии Академии наук под руководством Б. И. Пийпа для выбора места строительства геотермальной электростанции. Уже в следующем году эта экспедиция рекомендовала начать разведочное бурение на юге Камчатки в районе Паужетских геотермальных источников — в 30 км от побережья Охотского моря у реки Паужетка.

В 1956 году на Камчатку выезжала комиссия президиума Академии наук СССР во главе с академиком М. А. Лаврентьевым. В её составе были академики И. Е. Тамм, А. Н. Тихонов, известные вулканологи, геотермики и гидрогеологи Б. И. Пийп, Ф. А. Макаренко, В. И. Влодавец, В. В. Иванов, Н. И. Нехорошев, Н. И. Хитаров, инженер А. А. Гавронский [3]. Комиссия выбрала точку заложения бурения первой 500-метровой скважины на площадке Паужетских геотермальных источников и утвердила программу работ созданной там же в 1957 году Контрольно-наблюдательной геотермальной станции Лаборатории вулканологии (Паужетская геотермальная экспедиция). Руководителем этой экспедиции был назначен Б. И. Пийп, гидрогеологическими исследованиями руководили В. В. Аверьев и В. М. Сугробов.

1957 год считается фактическим началом комплекса работ по строительству Паужетской ГеоТЭС. В 1957–1958 годах была пробурена первая в СССР пароводяная скважина. На глубине 120–300 м она вскрыла месторождение с пароводяной смесью температурой +200°C. С 1959 по 1963 годы на Паужетском месторождении были пробурены и опробованы 21 разведочная скважина, на десяти из которых были выполнены годовые опытно-эксплуатационные испытания.

Выдающийся вклад в развитие геотермальной геологии полуострова Камчатка внёс советский вулканолог В. В. Аверьев (1929–1968) [4]. Он возглавлял новое научное направление исследований о вулканизме как проявлении магматического вещества на поверхности Земли и о соответствующих геотермальных процессах [5]. В. В. Аверьев предложил произвести глубокое бурение в зону влияния магматических очагов под вулканами, которое только было реализовано в XXI веке в США и в Исландии. Под руководством В. В. Аверьева впервые в СССР на Паужетской станции была разработана, изготовлена и испытана аппаратура для испытания пароводяных скважин, разработаны методики испытаний (гидрогеологических, гидрохимических, гидротермических) и определения запасов геотермальных пароводяных месторождений.

После оценки потенциальной мощности Паужетской геотермальной системы в 30 МВт советское правительство в 1965 году приняло решение о строительстве Паужетской ГеоТЭС установленной мощностью 5 МВт. Результаты исследований Паужетского месторождения, а также других месторождений, были обобщены Б. И. Пийпом в книге [6], актуальной до настоящего времени. Проект Паужетской ГеоТЭС разработал инициатор проектирования отечественной геотермальной энергетики, главный специалист Новосибирского филиала института «Теплоэлектропроект» Б. М. Выморков (главный инженер проекта), и он же был первым директором этой станции. Технические решения Паужетской ГеоТЭС были приняты с учётом мирового опыта того времени [7] и передовых технологий отечественного энергостроения. Сепараторы были установлены на каждой из девяти эксплуатируемых скважинах (всего пробурено 79 скважин, фото 1).

На станции были установлены две паровые турбины мощностью 2,5 МВт каждая, переделанные персоналом станции из серийных машин Калужского турбинного завода (КТЗ). Оригинальная конструкция смешивающего конденсатора с речной водой обеспечивала устойчивую работу станции. Паужетская ГеоТЭС, первая в нашей стране, строилась два года и 19 августа 1966 года была введена в эксплуатацию. Она работает и в наши дни. На фото 2 представлен машинный зал Паужетской ГеоТЭС. Следует отметить, что с первых дней работ по разведке месторождения и до последних дней жизни инициатор строительства Паужетской ГеоТЭС А. А. Гавронский активно участвовал во всех этапах её создания [4]. Со временем менялись турбины и другое оборудование станции. В настоящее время в работе паровая турбина мощностью 6 МВт, также производства КТЗ, изготовленная в 1940 году, а вторая (той же мощности), переоборудованная из судовой турбины производства АО «Кировский завод» в 2006-м, находится в резерве. 

Паужетское геотермальное месторождение в настоящее время эксплуатируется АО «Тепло Земли», которое является правопреемником ГУП «Камчатскбургеотермия». Запасы месторождения утверждены в 2008 году на 25-летний срок эксплуатации с удельным расходом пара ГеоТЭС 2,5 кг/с при фактическом расходе 4,03 кг/с, что соответствует среднегодовой мощности станции 6,7 МВт, а при пиковом потреблении — до 11 МВт.

Сейчас на месторождении имеется 22 скважины глубиной от 405 до 1205 м, из которых десять действующих (добычных) с общим расходом пара 27,1 кг/с, достаточным для обеспечения электрической мощности до 10,9 МВт, с температурой пароводяной смеси на устье 179°C и давлении до 3 бар. Каждая добычная скважина оборудована сепаратором, пар из которого (около 10%) по трубопроводам централизовано подаётся на ГеоТЭС. Сепарат скважин в объёме 5% используется для теплоснабжения объектов в посёлке Паужетка, 8% подаётся в реинжекционную скважину, остальное в объёме 87% сбрасывается в ручей Быстрый и реку Паужетка. За девять месяцев 2019 года добыто 558,8 тыс. тонн при средней мощности 4,5 МВт. Выработка электроэнергии составила 326285 тыс. кВт·ч.

Первая в мире бинарная Паратунская ГеоТЭС мощностью 670 кВт была выполнена по изобретению академика С. С. Кутателадзе (1914–1986) в соавторстве с д.т.н. Л. М. Розенфельдом и Б. М. Выморковым, разработкам Института технической теплофизики (ИТТФ) СО АН СССР, ВНИИ холодильного оборудования и Ленинградского технологического института холодильной промышленности и проекту Новосибирского института ГипроНИИ АН СССР. Паратунская ГеоТЭС была построена в 1967 году в 70 км от ПетропавловскаКамчатского у посёлка Термальный.

Строительством и эксплуатацией данной станции занималась ученица С. С. Кутателадзе к.т.н. В. Н. Москвичева. Результаты работы ГеоТЭС в течение 2000 ч подтвердили её проектные характеристики. Через два года после ликвидации участка Новосибирского ИТТФ АН СССР данная ГеоТЭС прекратила работу [8].

С целью возрождения российских бинарных энерготехнологий и организации серийного производства бинарных электростанций (БЭС), в соответствии с приказом РАО «ЕЭС России» №500, была начата реализация проекта строительства бинарного энергоблока на Паужетской ГеоТЭС. В 2007 году московское ЗАО «Геоинком» (генеральный директор Г. В. Томаров) разработало технический проект типового бинарного энергоблока, а также технические проекты основного оборудования — испарителя-пароперегревателя, конденсатора и паровой турбины, выбрав в качестве рабочего цикла озонобезопасный хладон R134а. Была также разработана технологическая схема и рассчитаны её параметры, подобрано специальное вспомогательное оборудование и арматура, определены основные компоновочные и архитектурно-строительные решения.

Генеральным проектировщиком (московской компанией ОАО «НИИЭС») на базе технического проекта была разработана рабочая проектная документация на строительство опытно-промышленного экспериментального энергоблока (фото 3) с бинарным циклом мощностью 2,5 МВт на площадке Паужетской ГеоТЭС.

В 2014 году монтаж данной ГеоТЭС мощностью 2,5 МВт для утилизации тепла сепарата и конденсата паровых турбин был завершён, однако по ряду причин бинарный энергоблок не введён в эксплуатацию до настоящего времени.

Дальнейшее развитие бинарных энергоциклов было выполнено к.т.н. А. И. Калиной (1933–2018), который предложил использовать в качестве промежуточного рабочего тела водоаммиачную смесь (взамен фреонов), что более чем вдвое повысило эффективность бинарных электростанций [9]. Первая такая станция была построена в 1992 году за рубежом — в городе Лос-Анджелесе (США). В 1980-е годы Камчатская геотермальная школа Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в Петропавловске-Камчатском приступила к широкомасштабным исследованиям геотермальных месторождений, в том числе крупнейшего Мутновского, находящегося в 100 км от Петропавловска-Камчатского. В 1990 году Госкомитет по запасам СССР утвердил запасы Мутновского месторождения с суммарным дебитом пара 156,2 кг/с при давлении 6–8 бар (соответствует мощности 78 МВт), а ранее, в 1987-м, не дожидаясь подсчёта запасов, советское Минэнерго утвердило технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта строительства Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт, и в 1988-м была организована дирекция по её строительству [10].

На протяжении последующих пяти лет Минэнерго СССР и администрация Камчатской области пытались построить на Камчатке атомную электростанцию. Проблемы сейсмичности и отсутствие соответствующего оборудования заставили вернуться к строительству Мутновской ГеоТЭС. В 1993 году губернатор Камчатской области В. А. Бирюков в Лондоне инициировал выделение Европейским банком реконструкции и развития (ЕБРР) гранта исландской фирме Virkir-Orkinl для разработки ТЭО «Система геотермального электротеплоснабжения городов Елизово и Петропавловска-Камчатского» [11].

Аналогичную работу в России выполнил также московский институт «ВНИПИэнергопром» совместно с Калужским турбинным заводом. Банк отдал предпочтение исландскому ТЭО с комбинированной ГеоТЭС мощностью 50 МВт с теплофикационными турбинами, тепловой станцией с использованием тепла 600 т/ч сепарата и конденсата и со строительством теплопровода диаметром 500 мм, протяжённостью 83 км до города Елизово и далее до Петропавловска-Камчатского, и стоимостью $ 158 млн.

Российский вариант, при сохранении тех же параметров (установленная электрическая мощность 50 МВт, такая же теплотрасса), предусматривал раздельное сооружение конденсационной ГеоТЭС и такое же теплоснабжение указанных городов. Такой подход объяснялся особенностями российского финансирования строительства энергообъектов. РАО «ЕЭС России» утвердило ТЭО Мутновской ГеоТЭС и готово было финансировать лишь электрогенерацию. Для строительства объектов геотермального теплоснабжения в 1993 году была организована компания «КамТЭК», которая не смогла собрать средства потенциальных потребителей для реализации проекта.

В этой тупиковой ситуации проблемами геотермальной энергетики в 1990-е годы начал заниматься ведущий российский специалист по паровым турбинам АЭС д.т.н., профессор О. А. Поваров (1938–2006). В 1994 году он инициирует создание акционерного общества (АОЗТ «Геотерм») с участием руководителей РАО «ЕЭС России» и ОАО «Камчатскэнерго», и уже в 1995-м РАО «ЕЭС России» утверждает ТЭО на строительство ВерхнеМутновской ГеоТЭС мощностью 12 МВт и открывает финансирование проекта.

Директором строительства станции назначается В. Е. Лузин. В том же году начинает прибывать и монтироваться оборудование станции. Калужский турбинный завод изготовил 14 модулей вагонного типа, соединённых между собой закрытыми переходами. Были пробурены три продуктивные и две реинжекционные скважины. 29 декабря 1999 года Верхне-Мутновская ГеоТЭС (фото 4) была принята в эксплуатацию, а все проблемы в ходе пусконаладочных работ устранялись до декабря 2002-го (замена воздушной конденсаторной установки, а также защита электрооборудования станции от выделяющего из геотермальной воды сероводорода и т. п.).

Впервые в мировой практике были применены горизонтальные гравитационные сепараторы, обеспечивающие максимальное удаление воды из геотермального пара. При проектировании и строительстве Верхне-Мутновской ГеоТЭС были апробированы новые технические решения, которые затем применили при возведении Мутновской ГеоТЭС.

В 1996 году О. А. Поваров, имея большой авторитет в зарубежных научных кругах (стажировки в США, разработка ГеоТЭС «Сан-Хасинто» в Никарагуа и др.), инициировал выделение средств ЕБРР на разработку окончательного варианта ТЭО Мутновской ГеоТЭС японской компании West Japan Engineering Consultants, Inc. (West JEC), российскому АО «Наука» (президент О. А. Поваров) и новозеландской фирме CENZi. В 1997 году ЕБРР утвердил ТЭО Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт со стоимостью строительства $154 млн. В 1998 году было подписано соглашение между Правительством РФ и ЕБРР о выделение АОЗТ «Геотерм» кредита на $ 99,9 млн со сроком погашения три года. Остальные $ 55 млн обязались профинансировать РАО «ЕЭС России», ОАО «Камчатскэнерго» и администрация Камчатской области. Дополнительно за счёт ОАО «Камчатскэнерго» была построена ЛЭП 220 кВ и автодорога до города Елизово. Генеральным проектировщиком ГеоТЭС в 1999 году было назначено ОАО «Зарубежэнергомонтаж» (город Иваново), а генподрядчиком строительства — ФГУП «ВО Технопромэкспорт», имевшее многолетний опыт строительства электростанций за рубежом.

В 2002 году в установленный трёхлетний срок было завершено строительство и осуществлён пуск в эксплуатацию Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт (2×25 МВт), ставшей флагманом российской геотермальной энергетики (фото 5). При её создании были реализованы современные технико-технологические решения: высокоэффективные оригинальные горизонтальные сепараторы первой и второй ступеней, работающие на основе гравитационного принципа отделения влаги (производство ОАО «ЗиО», город Подольск), высокоэкономичные и надёжные двухпоточные паровые турбины, разработанные и изготовленные на Калужском турбинном заводе, современная распределённая АСУ ТП на базе оборудования фирмы Siemens [11, 12].

В соответствии со схемой и программой развития электроэнергетики Камчатского края на 2019–2023 годы (kamgov.ru), суммарная мощность электрогенерирующих станций Камчатки в 2018 году составляла 630 МВт (100%), в том числе избыточная мощность около 50%. Установленная мощность ГеоТЭС составляет 74 МВт (11,7% от суммарной установленной мощности или 23,5% от фактически используемой). При общей выработке электроэнергии в 2018 году на Камчатке 1816 млн кВт·ч (100%) основная доля приходится на ТЭЦ-1 (установленная мощность 204 МВт) и ТЭЦ-2 (160 МВт), которые обеспечивают 57% производства всей электроэнергии полуострова. На долю Мутновской и Верхне-Мутновской ГеоТЭС приходится 23,5% выработки электроэнергии (427 млн кВт·ч).

В настоящее время основным источником газоснабжения Камчатки является магистральный газопровод от Кшукского месторождения диаметром 530 мм и протяжённостью 392 км, построенный в 2012 году. В программе отмечено, что в 2019-м его производительность упала с 750 до 420 млн м³ в год, а к 2030 году она сократится до 120 млн м³ в год.

Соответственно, существующие электрогенерирующие мощности в количестве 364 МВт потребуют дополнительных объёмов топочного мазута или замещения геотермальными электростанциями. Ведущие специалисты России д.г.-м.н. А. В. Кирюхин и к.г.-м.н. В. М. Сугробов из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в работе [13] дают прогнозную оценку геотермальных ресурсов для выработки электрической энергии от 680 до 1100 МВт (по объёмному методу и по естественной тепловой нагрузке) и от 3000 до 3900 МВт (по интенсивности вулканической активности).

Применение авторами матмоделирования посредством программного обеспечения TOUGH2 (Transport of Unsaturated Groundwater and Heat, то есть «термогидродинамическое численное моделирование с прогнозом эксплуатации продуктивных геотермальных резервуаров с известными фильтрационно-ёмкостными и энергетическими свойствами») показывает возможность увеличения мощности эксплуатируемого Мутновского геотермального месторождения до 105 МВт, а Паужетского геотермального месторождения — до 11 МВт, в том числе с использованием бинарных технологий.

Геотермальные пароводяные месторождения разведаны также на курильских островах Кунашир, Итуруп и Парамушир. Разведочные работы первого геотермального месторождения на участке «Прибрежный» были начаты на Кунашире в 1964 году, а в 1976-м были утверждены его запасы. В. Л. Микиртумов (1943 г.р.) в 1977 году, работая в институте «Сахалингражданпроект», разработал ТЭО проекта геотермального теплоснабжения острова Кунашир. Предприятие АО «Энергия» заказало Калужскому турбинному заводу модульную геотермальную электростанцию «Омега-500» мощностью 500 кВт, которая была установлена у подножия вулкана Менделеевский в 1993 году. В составе энергоблока была противодавленческая турбина «Кубань-0,5», разработанная КТЗ совместно с АО «Южно-Русская энергетическая компания» (Краснодар).

В 1994 году были завершены работы по строительству Менделеевской ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт с двумя энергоблоками «Туман-2Л» (производство КТЗ) мощностью 1,8 МВт каждый. В 1996-м был построен геотермальный теплопровод от ГеоТЭС в посёлок Горячий Ключ с закрытием пяти угольных котельных. В 1997 году на Менделеевской ГеоТЭС была смонтирована блочная станция «Туман» (КТЗ) мощностью 17 Гкал/ч, а в 2008-м по проекту института «Сахалингражданпроект» был построен теплопровод в посёлок Южно-Курильск протяжённостью 9 км вдоль океанской бухты с пересечением двух рек и с перепадом отметок до 100 м. В ЮжноКурильске теплопровод подключили к тепловому пункту бывшей котельной и обеспечили геотермальное отопление зданий посёлка. С 2011 по 2019 годы выполнялась реконструкция ГеоТЭС с установкой оборудования фирмы Ormat Technologies (США, Израиль). Мощность Менделеевской ГеоТЭС после реконструкции составит 7,4 МВт.

На другом курильском острове Итуруп в 2007 году по проекту института «Новосибирсктеплоэлектропроект» была построена Океанская ГеоТЭС установленной мощностью 3,6 МВт, с двумя энергоблоками «Туман-2Л» мощностью по 1,8 МВт каждый. В 2015-м после аварии станция была выведена из эксплуатации.

Выводы

1. Геотермальная энергетика из всех ВИЭ находится на третьем месте в мире по объёмам электрогенерации после ветровой и фотоэлектрической. При общей мощности мировых ГеоТЭС 13,3 ГВт установленная мощность ГеоТЭС РФ составляет 74 МВт при потенциальной мощности ГеоТЭС только Камчатки 1,1 ГВт. Кроме того, Россия — одна из пяти стран мира, обладающая технологиями производства геотермальных турбин и оборудования, геологической и научной школой мирового уровня, инженерными школами по проектированию и эксплуатации.

2. Развитие российской геотермальной энергетики осуществлялось учёными высочайшей научной и инженерной квалификации, инициировавшими важнейшие разработки на государственном уровне. Исследования пароводяных геотермальных месторождений Камчатки были начаты в 1930-е годы д.г.-м.н. Б. И. Пийпом. Его идеи развил в 1960-е годы В. А. Аверин, обосновавший теорию образования месторождения. После организации Б. И. Пийпом в 1962 году Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН Лаборатория геотермии выполнила исследования геотермальных ресурсов Камчатки, которые оценивались от 650 до 3900 МВт в зависимости от метода использования.

3. Строительство первой в СССР Паужетской ГеоТЭС на Камчатском полуострове в 1949 году предложил А. А. Гавронский; Б. М. Выморков руководил её эксплуатацией в первые годы. В 1967 году на Камчатке была построена первая в мире бинарная Паратунская ГеоТЭС. В основе её энергетического цикла лежало изобретение Б. М. Выморкова, академика С. С. Кутателадзе и д.т.н. Л. М. Розенфельда.

В 1980-е и 1990-е годы учёным мирового уровня О. А. Поваровым было инициировано сооружение Верхне-Мутновской и Мутновской ГеоТЭС — самых мощных геотермальных станций в Российской Федерации. В 2003 году по разработке д.т.н. Г. В. Томарова была построена бинарная Паужетская ГеоТЭС, которая адаптировала в себе современные технологические решения мирового уровня.

4. Предварительный анализ энергобаланса и генерирующих мощностей Камчатского края, опыта эксплуатации ГеоТЭС и геологических прогнозных оценок показал возможность обеспечения электрогенерации Камчатки за счёт использования геотермальной энергии суммарной мощностью от 116 до 3900 МВт.

5. Для определения перспектив развития геотермальной энергетики Курильских островов требуются дополнительные исследования.