Введение
Исландия — островное государство с населением 370 тыс. человек, энергопотребление которого в основном обеспечивается от ВИЭ. Их доля в электрогенерации в 2021 году составляла 97,1% при общей установленной мощности 2979 МВт (100%), в том числе гидроэнергетики 2104 МВт (70,6%) и ГеоЭС — 754 МВт (25,5%). Страна входит в десятку мировых лидеров по мощности ГеоЭС и находится в числе первых по мощности геотермальной теплогенерации — 1650 МВт, доля которой составляла 97% в суммарном теплопотреблении острова.
Исландия входит в число мировых лидеров по исследованию геотермальных скважин со сверхкритическими параметрами извлекаемого геотермального ресурса (температура свыше 450°C, давление более 140 бар). По национальной программе Iceland Deep Drilling Project (IDDP) с 1999 года были пробурены и исследованы две скважины глубиной до 4,65 км. На ГеоЭС применяются сухой пар и пароводяная смесь (ПВС), в геотермальной теплогенерации — вода. Геотермальные ресурсы используются также в плавательных бассейнах, в системах снеготаяния, теплицах, рыбном хозяйстве, для утилизации углекислого газа.
Исландия отличается многолетним опытом создания законодательной базы, государственной структурой управления и исследований геотермальных месторождений. В стране приняты законы о земельных ресурсах, в том числе о недрах под частными участками и развитии геотермальной энергетики. Для успешной реализации геотермальных проектов действует Энергетический фонд (Orkusjóður, Energy Fund), основанный в 1967 году. В составе Министерства окружающей среды, энергетики и климата Исландии работает государственное учреждение — Национальное энергетическое управление (Orkustofnun), которое руководит разведкой, лицензированием, исследованиями и эксплуатацией геотермальных месторождений (рис. 1). Оно обеспечивает также регулирование энергетического рынка страны и конкурентоспособность геотермальной энергетики.
В столице Исландии — городе Рейкьявике — создана крупнейшая в мире библиотека по геотермальной энергетике, включающая 20 тыс. источников информации и 140 подписных изданий.
Геотермальные ресурсы
Результаты исследований геотермальных ресурсов Исландии представлены в статьях [2–5]. Геологические и гидрогеологические исследования исландских геотермальных месторождений в 1973–2005 годах выполнял также сотрудник Геологического института РАН А. Р. Гарднер [6]. Им было подтверждено сходство геологических условий формирования геотермальных месторождений Исландии и полуострова Камчатка. Системные исследования геотермальных ресурсов были начаты в 1904 году. В 2021-м в национальном справочнике были представлены данные о 14 тыс. геотермальных скважинах. Всего в Исландии насчитывается 25 высокотемпературных (свыше 200°C) и 250 низкотемпературных месторождений с паровыми, пароводяными (ПВС) и водяными теплоносителями.
В табл. 1 представлены основные характеристики 32 низкотемпературных месторождений Исландии. В большинстве своём они, в зависимости от своего химического состава, применяются для комплексного использования в системах теплоснабжения, плавательных бассейнах, снеготаянии, рыбных и животноводческих хозяйствах и т. п.
Электроэнергетика
В Исландии в 2022 году работали семь ГеоЭС с суммарной установленной электрической 752,6 МВт и тепловой 606,5 МВт мощностью [7, 8]. Выработка электроэнергии в 2021 году составила 6208 ГВт·ч/год. В табл. 2 представлены основные технические характеристики системных ГеоЭС [4]. В 2018 году были построены также небольшие ГеоЭС для изолированных энергосистем: Flúðavirkjun («Флудавиркьюн*», 1 МВт) и Flúðir («Флудир», 0,6 МВт).
* Здесь и далее по тексту статьи указано примерное фонетическое звучание исландских названий на русском языке.
ГеоЭС Исландии работают на сухом паре, пароводяной смеси и высокотемпературной воде по следующим технологическим схемам: одноили двухступенчатая сепарация, бинарные энергоблоки. Большинство станций построено исландской фирмой Mannvit Engineering с использованием паровых турбин японских производителей.
Самой мощной геотермальной электростанцией (303 МВт электрической, 133 МВт тепловой мощности) является ГеоЭС Hellisheiði («Хедлисхейди») с четырьмя энергоблоками с установленной электрической мощностью каждого от 33 до 45 МВт с одноступенчатой сепарацией. ПВС на ГеоЭС поступает от 30 геотермальных скважин с температурой 178°C и давлением 8,5 бар. Конденсат геотермального теплоносителя подогревает воду питьевого качества, которая подаётся в систему теплоснабжения города Рейкьявика (133 МВт).
Отработанный геотермальный теплоноситель на специальной установке по улавливанию углекислого газа Orca Carbon Capture and Storage (CCS) насыщается CO2 из атмосферного воздуха и закачивается в подземные горизонты для последующей кристаллизации [9]. Производительность этой установки составляет 4000 тонн CO2 в год, разработчик — фирма Climeworks (Швейцария). Проектирование и строительство ГеоЭС выполняла компания Mannvit Engineering (Исландия), магистрального теплопровода диаметром 1 м и протяжённостью 20 км — Verkis Engineering (Исландия).
На ГеоЭС Nesjavellir («Несьяведлир») с установленной электрической 120 МВт и тепловой 300 МВт мощностью установлено четыре паровые турбины по 30 МВт каждая. ПВС на станцию поступает от 25 геотермальных скважин. Схема работы ГеоЭС — одноступенчатая сепарация. Отработанный геотермальный теплоноситель после конденсаторов турбин перед реинжекцией используется для нагрева воды для теплоснабжения Рейкьявика с длиной теплопровода 19,5 км.
ГеоЭС Reykjanes («Рейкьянес») с установленной электрической мощностью 100 МВт с двумя паровыми турбинами по 50 МВт получает ПВС от 12 геотермальных скважин с параметрами сухого пара: температура — 290–320°C, давление — 19 бар. Схема подготовки ПВС на станции — одноступенчатая сепарация. Особенностями ГеоЭС являются охлаждение конденсаторов турбин морской водой и наличие на её площадке скважины глубиной 4650 м со сверхкритическими параметрами геотермального ресурса. При испытании этой скважины в 2017 году были зафиксированы параметры буровой жидкости: температура — 426°C, давление — 340 бар, тепловая мощность — 36 МВт.
ГеоЭС Þeistareykir («Тейстарейкир») установленной электрической мощностью 90 МВт с двумя турбинами по 45 МВт была построена в 2018 году. Она получает ПВС от девяти геотермальных скважин. Схема подготовки теплоносителя — одноступенчатая сепарация.
ГеоЭС Svartsengi («Свартсенги») установленной электрической 74,4 МВт и тепловой 150 МВт мощностью получает сухой пар с температурой 201°C и давлением 15 бар от пяти геотермальных скважин и ПВС с давлением 1,2 бар от восьми скважин. Особенностью станции Svartsengi является применение следующих технологий: однои двухступенчатая сепарация и бинарный цикл. Сухой пар подаётся на аксиальную паровую турбину мощностью 6 МВт с противодавлением, а ПВС после неё с температурой 103°C и давлением 0,1 бар направляется на семь бинарных энергоблоков мощностью по 1,2 МВт каждый. Рабочее тело — изопентан. На ГеоЭС работают также две паровые турбины мощностью по 30 МВт.
Теплоноситель после турбин нагревает воду для системы теплоснабжения Рейкьявика (протяжённость теплопровода 45 км), а также направляется на геотермальный спа-курорт Bláa Lónið (Blue Lagoon, «Голубая лагуна»), располагающийся в получасе езды от Рейкьявика. Отсепарированный из геотермальной воды месторождения углекислый газ перерабатывается в метанол (до 5 млн д м³/год) на биотопливном заводе. На этом предприятии используется водород, получаемый из воды методом электролиза с потреблением электроэнергии, произведённой ГеоЭС.
Геотермальное озеро курорта «Голубая лагуна» представляет собой большой искусственный водоём с высокоминерализованной водой, которое образовалось в результате деятельности геотермальной электростанции. Площадь озера в настоящий момент составляет 8700 м² и может быть увеличена. Из-за большого количества минералов геотермальная вода не подходит для систем отопления, поэтому с её помощью нагревают пресную воду. После использования остывшая до +39°C вода сливается наружу, создавая рукотворный водоём. Вода в озере кристально чистая и не содержит посторонних примесей — только природные минералы. Поскольку ГеоЭС активно работает, вода в лагуне обновляется каждые 48 часов. Регулярная циркуляция воды позволяет отказаться от агрессивной химии для её очищения. Вокруг озера с его ярко-голубой водой и чёрными лавовыми берегами с 1972 года оборудуется соответствующая инфраструктура: купальни, душевые, массажные помещения, отели, рестораны, спаи бальнеологические комплексы.
ГеоЭС Krafla («Крафла») установленной мощностью 60 МВт эксплуатируется на геотермальном паре, получаемом из 17 скважин, и имеет две турбины мощностью по 30 МВт. Станция работает по схеме двухступенчатой сепарации и построена рядом с одноимённым вулканом, одним из самых больших в Исландии. Она была восстановлена после его извержения в 1980 году. На площадке станции Krafla в 1999-м была пробурена и исследована первая в мире скважина глубиной 2104 м с получением геотермального ресурса со сверхкритическими параметрами: температура свыше 450°C, давление — 140 бар [10]. При этих условиях плотность ресурса уменьшается в разы, а растворимость солей существенно повышается. Компания Mannvit Engineering в течение трёх лет испытывала скважины с достижением тепловой мощности до 36 МВт [11].
ГеоЭС Bjarnarflag («Бьярнарфлаг») установленной мощностью 3,2 МВт с одноступенчатой сепарацией ПВС была построена в 1969 году и является самой первой геотермальной электростанцией Исландии. Температура геотермального ресурса (пара) — 182°C, давление — 9,5 бар.
ГеоЭС Húsavik («Хусавик») установленной электрической 2 МВт и тепловой 23,5 МВт мощностью, в отличие от остальных станции Исландии, работает по бинарному циклу Калины, используя в качестве рабочего тела водоаммиачную смесь (цикл KCS34) [12].
Геотермальное теплоснабжение
Геотермальные теплоносители в Исландии являются основными источниками отопления и горячего водоснабжения (97% теплового баланса). В 2021 году реализация геотермальной энергии для теплоснабжения составляла 9453 ГВт·ч/год, в том числе непосредственно от скважин 6900 ГВт·ч (73%) и после ГеоЭС — 2285 ГВт·ч (24%). На рис. 2 представлено распределение установленной мощности геотермальной теплогенерации по видам потребления. По установленной мощности и годовому теплопотреблению лидирует геотермальное отопление — 1650 МВт (66,7%) и 6840 ГВт·ч/год (71%). На втором месте по мощности плавка снега — 260 МВт (10,5%), а по годовому потреблению ведущее место за плавательными бассейнами — 898 ГВт·ч/год (9,3%) [13–15].
Геотермальное теплоснабжение Исландии имеет установленную тепловую мощность 1650 МВт, в том числе 1150 МВт в Рейкьявике с объёмом потребления геотермальной воды 80 млн м³. Протяжённость тепловых сетей — 2230 км, расчётный температурный график — 75–35°C [16].
На рис. 3 представлена структурная схема геотермального теплоснабжения Рейкьявика. Первый теплопровод длиной 3 км от месторождения Laugaveita («Лёйгавейта») с температурой теплоносителя 87°C был проложен в 1930 году. Впоследствии к городу были проложены геотермальные теплопроводы от месторождений Mosfellssveit («Мосфеллсвейт», 90°C), Laugarnes («Лёйгарнес», 130°C) и Elliðaár («Эдлидаар», 125°C). С 2005 года были построены теплопроводы от ГеоЭС Nesjavellir, Svartsengi и Hellisheiði. Отличительная особенность системы теплоснабжения города — избыточная тепловая мощность и применение системы снеготаяния под дорогами и тротуарами, которая имеет общую площадь 550 тыс. м².
Геотермальная вода в Исландии используется также в 140 плавательных бассейнах, для сушки рыбы и морских водорослей, выпаривания морской соли. На месторождениях используют углекислый газ, выделяемый из геотермальной воды и из атмосферного воздуха. Применяются три основных технологии: сжижение для последующего использования углекислого газа в теплицах, производство метанола, а также растворение в отработанной геотермальной воде и последующая утилизация в подземных горизонтах.
Выводы
1. Входящая в десятку мировых лидеров по развитию геотермальной электрогенерирующей энергетики и геотермальной теплогенерации Исландия имеет развитую законодательную базу, эффективную государственную структуру управления и крупнейшую в мире библиотеку по геотермальной энергетике.
2. На восьми геотермальных электростанциях Исландии общей установленной мощностью 754,2 МВт применены почти все известные технологические схемы с однои двухступенчатой сепарацией ПВС, с бинарными блоками с органическими рабочими телами и водоаммиачной смесью. Используются следующие геотермальные теплоносители: сухой пар, пароводяная смесь и перегретая вода. ГеоЭС имеют в основном воздушные конденсаторы. Охлаждение морской водой применено на ГеоЭС Reykjanes.
3. В Исландии в соответствии с программой IDDP пробурены и исследованы две скважины со сверхкритическими параметрами теплоносителя с достижением их тепловой мощности до 36 МВт.
4. Самая мощная в мире система централизованного геотермального теплоснабжения установленной мощностью 1150 МВт построена в городе Рейкьявике. Геотермальный теплоноситель по теплопроводам протяжённостью до 45 км поступает в город от трёх ГеоЭС и четырёх геотермальных месторождений.
