В статье [1] отмечено, что альтернативная бестопливная энергетика применима в регионах, где для реализации «зелёных» проектов имеются исключительно благоприятные условия. Интерес к альтернативной энергетике вполне оправдан для стран, не имеющих собственных запасов органического топлива, но обладающих значительными ресурсами ветровой, солнечной или геотермальной энергии [2–4].
Например, Эфиопия, которая обладает огромными ресурсами солнечной и геотермальной энергии [5], может построить электроэнергетику в значительной мере на основе их использования [6].
Энергетические ресурсы в Эфиопии включают в себя 45 ГВт гидроэнергии, до 5,5 кВт/м² в день солнечной энергии, 1,3 ТВт ветровой энергии, 7–10 ГВт геотермальной энергии, 1,12 млн тонн древесины, 113 млрд м³ природного газа, 300 млн тонн угля и 253 млн тонн сланца. Однако потребление электроэнергии на душу населения составляет всего 24 кВт·ч в год, что значительно ниже, чем средние 153 кВт·ч в странах близ Сахары.
На текущий момент в Эфиопии установленная мощность генерации электроэнергии составляет около 2267 МВт, из которых 1978 МВт вырабатывают гидроэлектростанции, 171 МВт — ветроэлектростанции, 112 МВт — дизельные ТЭС и 7 МВт — геотермальные ТЭС).
Спрос на электрическую энергию в стране растёт значительно, в последние годы зарегистрирован ежегодный рост на 25%, и ожидается, что этот показатель будет ещё выше в ближайшие годы. Необходимые мощности электроэнергетики на 2037 год прогнозируются около 37 ГВт при существующих 2267 МВт.
Одним из способов уменьшения несоответствия между постоянно растущим спросом на энергию и очень низким доступом к ней является расширение выбора энергоресурсов и максимальное использование этих ресурсов. Сезонный характер осадков и засуха, с которыми страна сталкивалась в течение многих лет, вызвали сдвиг парадигмы в сторону разработки возобновляемых источников энергии. Среди инициатив, принятых во внимание в этом отношении, является развитие геотермальной и солнечной энергетики. Как уже упоминалось выше, использование большей части энергетических ресурсов в целом и солнечной и геотермальной энергии, в частности, близко к нулю. Попытаемся оценить фактический потенциал этих природных энергетических ресурсов и предложения по их использованию.
Эфиопский сектор рифтовой системы, разделяющий страну на две половины, считается богатым многими энергетическими ресурсами, среди которых основными являются геотермальная и солнечная энергия. С начала разведки ресурсов геотермальной энергии в 1969 году бóльшая часть исследований ресурсов была направлена на выявление потенциальных областей, в которых имеется возможность генерации электроэнергии из этих ресурсов. Были определены около 120 областей, среди которых 22 имеют потенциал с высокой энтальпией геотермальных ресурсов. Общий потенциал геотермальных энергетических ресурсов в рифтовой системе оценивается в 10 ГВт.
В дополнение к геотермальным ресурсам Эфиопская рифтовая система также богата солнечной энергией. 56% от общей площади суши в рифтовой долине с уклоном земли менее 2% и средней интенсивностью прямого солнечного излучения (ПСИ) от 4,2 до 5,2 кВт·ч/м² в сутки считаются подходящими для реализации концентрированных солнечных силовых технологий. Геотермальные области Тендахо-3 (Аллалобеда) и Босети обладают более высоким потенциалом, чем остальные. Области Корбети, Алуто-3 (Бобеса) и Алуто-1 (Лангано) показали наименьшее ПСИ: 3,544; 4,188 и 4,188 кВт·ч/м² в сутки, соответственно.
Однако использование ресурсов до сих пор ограничивалось мощностью 7 МВт геотермальной электростанции, что составляет менее 1% потенциала [5].
Для анализа энергоэффективности выбрано геотермальное поле Тендахо как одно из наиболее изученных в Эфиопии. Оценка продуктивности двухфазных геотермальных скважин показала, что три скважины, а именно — TD4, TD5 и TD6, являются весьма продуктивными с массовым расходом геотермальной жидкости 50,4; 19 и 37 кг/с, соответственно. Энтальпии геотермальных жидкостей из TD4, TD5 и TD6 составляют 1065, 1267 и 975 кДж/кг, соответственно [7].
Тендахо также характеризуется значительным потенциалом для производства солнечной тепловой энергии. Месторождение получает более 5,2 кВт·ч/м² в сутки среднегодового прямого нормального излучения.
Все эти факторы делают месторождение пригодным как для солнечных установок с технологиями концентрированных солнечных электростанций (КСЭ), так и для геотермальных тепловых электростанций.
Рассмотрим возможные варианты использования природных энергетических ресурсов поля Тендахо:
1. Использование солнечной энергии путём строительства солнечной электростанции.
2. Использование геотермальной энергии путём строительства автономной геотермальной тепловой электростанции.
3. Комбинированное использование солнечной и геотермальной энергии путём строительства гибридной тепловой гелиогеотермальной электростанции [6].
Вариант 1. Модель солнечной электростанции КСЭ состоит из параболических коллекторов, аккумулятора тепловой энергии, питательного насоса и основных компонентов паровой электростанции: испарителя/теплообменника, турбины, конденсатора и питательного насоса.
Валовая мощность турбины Nсл, вырабатываемая концентрированной солнечной электростанцией [8]:
где Sсл — общая площадь солнечных коллекторов, м²; Ib — прямое перпендикулярное солнечное излучение, кВт/м²; ηор — оптическая эффективность солнечного поля; — угол падения солнечного излучения ( = 0°); q — общие тепловые потери в окружающую среду на 1 м² общей площади коллектора; ηсл — номинальный КПД силового цикла гелиоэлектростанции.
Основные исходные данные, используемые в моделировании гелиоэлектростанции, приведены в табл. 1.
Вариант 2. Автономная геотермальная электростанция содержит эксплуатационную скважину, из которой геотермальная жидкость направляется в сепаратор для разделения на пар и рассол, турбину, где происходит расширение пара, конденсатор, из которого конденсат отработанного пара направляется в нагнетательную скважину, в которую конденсат закачивается вместе с рассолом (рис. 1).
Массовая доля сухого насыщенного пара x в геотермальной жидкости определяется по формуле:
Расход пара Dn [кг/с], разделённого в сепараторе, рассчитывается как
где i2 — энтальпия геотермальной жидкости, кДж/кг; i3 — энтальпия рассола, кДж/ кг; i0 — энтальпия пара на входе, кДж/кг; Dгж — величина расхода геотермальной жидкости, кг/с.
Идеальная энтальпия отработанного пара на выходе из турбины i5 [кДж/кг] рассчитывается по формуле [9]:
где i6 — энтальпия отработанного пара (при давлении конденсатора и сухости пара, равной 0), кДж/кг; i7 — энтальпия отработанного пара (при давлении конденсатора и сухости пара, равной 1), кДж/ кг; s4 — энтропия пара на входе в турбину, кДж/(кг·К); s6 — энтропия отработанного пара (при давлении конденсатора и сухости пара, равной 0), кДж/кг; s7 — энтропия отработанного пара (при давлении конденсатора и сухости пара, равной 1), кДж/(кг·К).
Поскольку пар на входе в турбину является насыщенным, процесс расширения происходит во влажной области. Следовательно, наличие влаги снижает изоэнтропический КПД турбины. Этот эффект количественно определяется правилом Баумана [9], в котором говорится, что наличие 1% средней влажности снижает изоэнтропический КПД турбины примерно на 1%.
Учитывая правило Баумана, энтальпия отработанного пара на выходе из турбины i0 [кДж/кг] определяется по формуле из работы [9]:
Таким образом, мощность турбины Nг [ кВт] автономной геотермальной электростанции при расширения насыщенного пара в турбине рассчитывается по следующей формуле:
где ii — энтальпии пара на выходе из турбины, кДж/кг; ηэм — электромеханический КПД турбогенератора.
Вариант 3. В предложенной нами концепции гибридной тепловой гелиогеотермальной электростанции [6] геотермальный ресурс является поставщиком насыщенного пара, а солнечный ресурс позволяет перегреть геотермальный пар, и, как следствие, увеличить мощность гибридной энергетической системы.
Из-за добавления солнечной энергии в геотермальную систему мы предположили рассматривать 10% валовой мощности турбины как паразитарную нагрузку для гибридной системы (нагрузку для собственных нужд). Поэтому полезная электроэнергия, вырабатываемая автономной геотермальной электростанцией, рассчитывается по формуле:
Принципиальная технологическая схема гибридной гелиогеотермальной электростанции [6] с солнечным перегревом пара показана на рис. 2. Гибридная установка комбинирует геотермальный энергетический цикл с системой солнечного перегрева пара, включающей в себя перегреватель (солнечный теплообменник), солнечный коллектор, аккумулятор для хранения и циркуляционный насос.
Энтальпия пара i0 гб [кДж/кг] на входе в турбину в гибридной системе, после добавления солнечной теплоты за счёт теплообменника, определяется по формуле:
Поскольку пар на входе в турбину в гибридной системе является перегретым, алгоритм, используемый для насыщенного пара, не даёт точного значения выходной мощности. Поэтому здесь применим подход, близкий к изложенному в работе [10]. Сначала анализируется часть процесса расширения в перегретом регионе с использованием 85% адиабатного коэффициента. Затем, когда пар входит во влажную область, оставшееся расширение анализируется с использованием тех же уравнений, которые приведены выше — формулы (4)-(8). Мощность турбины Nсух [ кВт] для процесса расширения, который происходит в сухой области, рассчитывается как:
где ia — энтальпия пара [кДж/кг] при давлении, при котором процесс расширения пересекает кривую насыщения, а сухость пара равна 1,0.
Энтальпия отработанного пара на выходе из турбины ii гб рассчитывается с использованием выражений (6) и (7), только вместо точки 4 используется точка а. Поэтому мощность турбины Nвлж [ кВт] для процесса расширения, происходящего во влажной области, рассчитывается
Таким образом, полная мощность турбины Nгб [ кВт] в гибридной системе рассчитывается как сумма выходной мощности турбины в сухой и влажной областях. Следовательно, величина Nгб определяется по формуле:
Дополнительная мощность Nсл/гб [ кВт], вырабатываемая за счёт солнечной энергии, добавленной в гибридную энергосистему, представляет собой разницу мощностей гибридной электростанции и автономной геотермальной электростанции. Определяется как:
Прирост мощности турбины гибридной электростанции за каждым 1 МВт добавленной солнечной энергии определяется по формуле:
В работе [11] предложена оценка качественного показателя, общая методология, используемая для оценки того, может ли гибридная электростанция производить больше электроэнергии, чем две автономные электростанции. Как определено в [11], качественный показатель — это отношение выходной мощности гибридной электростанции к сумме выходных мощностей автономных электростанций:
В этом определении качественный показатель больше 1,0 указывает на то, что гибридная система превосходит автономные системы с точки зрения выработки электроэнергии. Основные исходные данные, используемые для оценки, показаны в табл. 2.
Термодинамический анализ для автономной геотермальной электростанции показывает, что при принятых исходных данных мощность турбины оказалась равной 5116 кВт с массовым расходом пара 10,93 кг/с. Однако по мере увеличения количества тепловой энергии от гелиоисточника мощность, производимая гибридной энергосистемой, увеличивается (табл. 3). Увеличение выработки электроэнергии за каждым 1 МВт тепловой энергии, добавленным в гибридной системе, составило около 411,3 кВт. Другими словами, процент прироста мощности турбины геотермальной электростанции на каждый 1 МВт добавленной солнечной энергии получается около 8%.
Как показано на рис. 3, технический качественный показатель составляет более 1,0, то есть вырабатываемая электроэнергия гибридной электростанция больше, чем сумма мощностей гелиоэлектростанции и автономной геотермальной электростанции. Значение увеличивается по мере увеличения тепловой энергии от гелиоисточника. Анализ также показывает (рис. 4), что для такого же количества используемой тепловой энергии дополнительная электроэнергия, вырабатываемая гибридной системой, больше, чем электроэнергия, вырабатываемая автономной гелиоэлектростанцией.
Выводы
1. Показано, что в странах, обладающих достаточным количеством ресурсов солнечной и геотермальной энергии, как, например, в Эфиопии, можно построить электроэнергетику в значительной мере на основе использования этих возобновляемых природных ресурсов.
2. На примере геотермального поля Тендахо в Эфиопии рассмотрены варианты использования геотермальных и солнечных ресурсов для электроэнергетики.
3. Предложена и запатентована концепция гибридной тепловой гелиогеотермальной электростанции, в которой геотермальный ресурс является поставщиком насыщенного пара, а солнечный ресурс позволяет перегреть геотермальный пар перед паровой турбиной.
4. Доказано, что комбинированное использование солнечной и геотермальной энергии в тепловой гелиогеотермальной электростанции позволяет существенно (до 8%) увеличить мощность гибридной энергетической системы.
