ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2013 года по МПК F03G7/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к геотермальным электростанциям и, более конкретно, к геотермальной электростанции, обеспечивающей технические и коммерческие преимущества по сравнению с уровнем техники, причем в особенности в ситуации, когда пробуренные геотермальные скважины перекрывают большую площадь.

Уровень техники

Геотермальная энергия генерируется из тепла, хранящегося в земных недрах, или путем аккумулирования поглощенного тепла, полученного из-под земли. В настоящее время к наиболее распространенным типам геотермальных электростанций относятся станции на парогидротермах, за которыми следуют станции с бинарным циклом (двухконтурные).

На станциях с бинарным циклом горячую термальную воду пропускают рядом с вторичной текучей средой, имеющей по сравнению с водой гораздо более низкую точку кипения, в результате чего такая среда, испаряясь, приводит в движение турбины. Станции на парогидротермах находят наибольшее применение в тех случаях, когда высокотемпературный пар отбирается непосредственно из буровой скважины и подается на турбину, которая запускает генератор. Новую альтернативную геотермальную технологию предлагает программа Enhanced Geothermal Systems (EGS), согласно которой с целью генерации электроэнергии бурят шахты в горячую горную породу с целью нагнетания в них воды и использования возвратного пара.

Современные геотермальные электростанции спроектированы в виде централизованных станций, расположенных между несколькими стволами скважин. Максимальное расстояние от стволов скважин до электростанции может составлять примерно 2 км, а для доставки пара к централизованной электростанции на поверхности обычно прокладывают паропроводы. Все геотермальные энергетические проекты начинаются с этапа детальной разведки, на котором выбирают наиболее перспективные дислокации. После этого на выбранном месте начинают этап бурения, а затем составляют план бурения, отвечающий, например, мощности 50 МВт.Далее начинают бурение эксплуатационных буровых скважин, мощность которых в типичном случае составляет 5 МВт или менее. Бурение каждой скважины обычно занимает 2-4 месяца, после чего буровую установку передвигают на следующее место. Для варианта, отвечающего мощности 50 МВт, количество буровых скважин может доходить до 10, а на бурение их всех может понадобиться 3 года. Затем начинают этап оценки/проектирования (1-2 года), после чего следует этап строительства (1-3 года). Только после этого можно начинать выработку электричества. В течение всего этого периода времени уже законченные буровые скважины простаивают, т.е. не дают никакой прибыли, связанной с продажей электрической энергии. Время от окончания бурения первой скважины до конца ее конструктивного оснащения обычно занимает 6 лет. Средняя стоимость скважины, отвечающей мощности 5 МВт, может составлять 3-4 млн. долларов США. Таким образом, в течение периода, доходящего до 6 лет, огромные инвестиции остаются законсервированными.

При таком высоком уровне инвестиций начало возврата средств задерживается, а резервные возможности и оперативная гибкость для обеспечения сбалансированности нагрузки ограничены. Более конкретно, типичный интервал между проектированием и началом эксплуатации составляет 6-10 лет, а возврат средств в типичном случае начинается после 7-9 лет, причем в случае пониженного выхода энергии со скважины возможность создания резервных мощностей ограничена. Далее, проектирование является трудоемким и затратным процессом, т.к. каждая станция строится по индивидуальному заказу, который сложен и дорог. Кроме того, во избежание конденсации пара в трубах и потерь избыточного давления стволы скважин приходится размещать около централизованной электростанции. Следует учитывать также, что крупные конструкции и уродливая система труб придают станции неприглядный вид со стороны.

Таким образом, существует потребность в проектировании геотермальной электростанции, свойства которой улучшены по отношению к перечисленным недостаткам.

Раскрытие изобретения

Указанное требование выполняется посредством настоящего изобретения, в котором перечисленные выше недостатки уменьшены или отсутствуют.

Более конкретно, в рамках настоящего изобретения предлагается геотермальная электростанция, отличающаяся тем, что содержит блоки, которым придан модульный характер и которые выполнены с возможностью установки в один или более контейнеров в виде геотермальных контейнерных блоков. При этом для геотермальных контейнерных блоков выбраны размеры, позволяющие получать геотермальную энергию из одной пробуренной скважины или из скважины с усредненными параметрами. Каждый геотермальный контейнерный блок снабжен средствами для электрического подключения к другим геотермальным контейнерным блокам, а также к электрической сети с формированием геотермальной электростанции в сетевой конфигурации, обеспечивающей балансирование нагрузки и резервирование.

По своему типу геотермальная электростанция может быть станцией на парогидротермах или станцией с бинарным циклом.

В одном из своих предпочтительных вариантов осуществления изобретение относится к геотермальной электростанции любого из указанных типов, которая содержит

1) блок обработки пара/ рассола, функционально сопряженный с

2) турбогенераторным блоком, функционально сопряженным с

3) конденсирующим блоком, функционально сопряженным с

4) блоком охлаждающей башни (градирни).

Данная электростанция имеет следующие отличительные особенности:

указанным блокам придан модульный характер с возможностью установки в один или более стандартных контейнеров в виде геотермальных контейнерных блоков;

геотермальным контейнерным блокам приданы размеры, позволяющие получать геотермальную энергию, главным образом, из одной буровой скважины,

каждый геотермальный контейнерный блок снабжен средствами, предназначенными для электрического подключения к другим геотермальным контейнерным блокам, а также к электрической сети, что позволяет сформировать геотермальную энергосистему в сетевой конфигурации, обеспечивающей балансирование нагрузки и резервирование.

Предпочтительно разместить каждый модульный и контейнеризованный блок рядом с соответствующей платформой буровой скважины (например над стволом скважины) или на небольшом удалении от нее. Это позволяет избежать как транспортировки пара и связанных с ней потерь давления, так и вредных воздействий на окружающую среду. Чтобы уменьшить такое воздействие, желательно электрические кабели, соединяющие геотермальные контейнеризованные блоки между собой, проложить под землей. Типичный контейнеризованный блок имеет размеры, в предпочтительном варианте соответствующие проектной мощности 5 МВт, но с возможностью полной адаптации к мощности, которую можно получить от других стволов (одного или более) локальных буровых скважин.

Предпочтительно включить геотермальную электростанцию в одноранговую сеть, что обеспечивает возможность дистанционного мониторинга и управления. Средства дистанционного управления обеспечивают централизованный контроль и максимальную производительность станции. Для уменьшения опасности выхода из строя дистанционная система управления содержит датчики профилактического техобслуживания и соответствующее программное обеспечение. Предпочтительно, чтобы все блоки содержали дополнительный ротор турбины, оснащенный лопатками, который можно легко использовать прямо на месте для замещения поврежденных роторов турбины. Децентрализованная сеть обеспечивает полное резервирование, с целью предотвращения аварии. Поставляемым продуктом будет электрическая энергия с мощностью от примерно 5 МВт до 50 МВт, полученная в результате сбора геотермальной энергии с площади, которая гораздо больше обычной зоны такого назначения (имеющей радиус около 2 км, отсчитываемый от расположенной в центре электростанции). Модульная конструкция обеспечивает для электростанции хорошие возможности для изменения масштаба и адаптируемость к местным условиям.

Расчеты показывают, что при средних европейских рыночных ценах на электричество за 2008 г. или для тарифа, введенного в Германии 1.01.2009 на "зеленую" геотермальную энергию, ее производители в типичном случае полностью вернут затраты на наземные работы в течение 4-6 лет. Установленная стоимость за мегаватт вполне конкурентна на рынке. Примерное время поставки энергии составит только 7-9 месяцев, считая от даты заказа. Далее, по мере усовершенствования технологии модульная конструкция допускает и облегчает замену модульных блоков и узлов на новые и более эффективные. Сказанное относится также к ситуации, в которой энергия, поставляемая буровой скважиной, уменьшается, поскольку геотермальные блоки можно легко транспортировать, а их размеры согласованы со стандартными транспортными контейнерами. Такое дополнительное управление рисками, заложенное в геотермальные энергетические проекты, существенно повышает инвестиционную привлекательность.

Краткое описание чертежей

Изобретение проиллюстрировано несколькими чертежами, где на фиг.1 представлены компоненты единичного геотермального контейнерного блока,

на фиг.2 представлено несколько геотермальных блоков, образующих геотермальную энергосистему,

на фиг.3а представлен план обычной геотермальной электростанции,

на фиг.3b представлен план энергосистемы по изобретению,

фиг.4 иллюстрирует необходимость начала работы по обычному геотермальному энергетическому проекту на 6 лет раньше, чем по геотермальной энергосистеме по изобретению (при их одновременном завершении),

фиг.5 иллюстрирует более раннее начало возврата средств на геотермальную энергосистему по изобретению по сравнению с обычной геотермальной электростанцией.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана геотермальная электростанция по настоящему изобретению, точнее - ее геотермальный контейнерный блок. Более конкретно, фиг.1 иллюстрирует содержимое геотермальных контейнерных блоков станции, в число которых входят: блок 1 обработки пара (содержащий сепаратор пара и влаги для систем на парогидротермах и испаритель для систем с бинарным циклом), функционально сопряженный с турбогенераторным блоком 2, а также конденсирующий блок 3 и охлаждающая башня 4.

Каждый компонент геотермальной электростанции по изобретению может содержать элементы, соответствующие известному уровню техники, но при объединении они обеспечивают неожиданный технический и экономический эффекты. Однако предпочтительно использовать новые и улучшенные технологии или, по мере дальнейшего технологического развития, заменять устаревшие технологии.

На фиг.2 представлен план, более подробно иллюстрирующий, каким образом из нескольких контейнерных блоков собирают геотермальную энергосистему по изобретению.

Фиг.3a иллюстрирует устройство обычной, централизованной геотермальной электростанции и принцип ее соединения с окружающими буровыми скважинами, каждая из которых находится на расстоянии не более 2 км. Указанное соединение выполнено в виде трубопроводов, проложенных по поверхности земли.

Фиг.3b иллюстрирует план расположения геотермальной энергосистемы по изобретению, использующей известные компоненты и представляющей собой сеть геотермальных контейнерных блоков, распределенных по большей площади.

На фиг.4 представлены графики реализации проектов обычной геотермальной электростанции и геотермальной энергосистемы по изобретению, иллюстрирующие шестилетнее опережение в отношении начала эксплуатации и поступления выручки.

На фиг.5 представлен размер дохода (соответствующий участку между линиями 1 и 2), который согласно изобретению может быть получен с опережением по сравнению с доходом для обычной геотермальной станции. В данном расчете указанный участок отвечает энергии 1500 ГВтч, что при средних европейских спотовых ценах на энергию за 2008 г. (65 евро/МВтч) означает обеспечиваемый изобретением доход, равный 97,5 млн евро. Однако при использовании цен на электричество в Германии на данный момент для возобновляемой энергии увеличение дохода составит 300 млн евро. Такая сумма окупит все наземные инвестиции на завершенном с опережением начальном периоде, соответствующие в варианте по фиг.5 созданию 10 геотермальных блоков.

Изобретение относится к геотермальным электростанциям. Геотермальная электростанция содержит блоки модульного типа, выполненные с возможностью установки в один или более контейнеров в виде геотермального контейнерного блока. Для указанного блока выбраны размеры, позволяющие получать геотермальную энергию из одной буровой скважины, причем каждый блок снабжен средством, предназначенным для электрического подключения к другим геотермальным контейнерным блокам, а также к электрической сети. Электростанция содержит блок обработки пара/рассола, функционально сопряженный с турбогенераторным блоком, функционально сопряженным с блоком конденсации пара, функционально сопряженным с блоком охлаждающей башни. Электростанция содержит несколько геотермальных контейнерных блоков, каждый из которых помещен над стволом скважины, из которой извлекается геотермальная энергия, или на небольшом удалении от нее. Электростанция включена в одноранговую сеть, включающую оператора геотермальной электростанции, оператора силовой электрической сети, продавцов и энергетическую компанию. Изобретение позволяет сформировать геотермальную энергосистему в сетевой конфигурации, обеспечивающей балансирование нагрузки и резервирование. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Геотермальная электростанция, отличающаяся тем, что содержит блоки, которым придан модульный характер и которые выполнены с возможностью установки в один контейнер с образованием геотермального контейнерного блока, причем для геотермальных контейнерных блоков выбраны размеры, позволяющие получать геотермальную энергию, по меньшей мере, из одной буровой скважины, каждый геотермальный контейнерный блок снабжен средствами для электрического подключения к другим геотермальным контейнерным блокам, а также к электрической сети с формированием геотермальной энергосистемы в сетевой конфигурации, обеспечивающей балансирование нагрузки и резервирование.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит блок обработки пара/рассола, функционально сопряженный с турбогенераторным блоком, функционально сопряженным с блоком конденсации пара, функционально сопряженным с блоком охлаждающей башни.

3. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит несколько геотермальных контейнерных блоков, каждый из которых помещен над стволом скважины, из которой извлекается геотермальная энергия, или на небольшом удалении от нее.

4. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что включена в одноранговую сеть, включающую оператора геотермальной электростанции, оператора силовой электрической сети, продавцов и энергетическую компанию.