Инженеры ТПУ разработали опытный образец уникальной геотермальной тепловой электростанции
В начале 2025 года на площадке Томского политехнического университета успешно прошли первые испытания установки мощностью до 25 киловатт. Проект по созданию ГеоЭС нового типа реализуется при поддержке программы Минобрнауки РФ «Приоритет-2030» национального проекта «Молодёжь и дети».
Принципиальной иной подход
Геотермальная энергетика получила новый виток развития в России. Хотя в мире геотермальными станциями (ГеоЭС) занимаются давно, в том числе и в нашей стране. Так, ещё в 1966 году была построена первая в СССР ГеоЭС. В настоящее время эксплуатируются четыре такие станции – три на Камчатке и одна на Курильских островах.
В своё время советские учёные изучали различные методы геотермального снабжения, однако широкого распространения они так и не получили.
Во-первых, геотермальные воды отличаются высокой минерализацией, что быстро выводит из строя турбины и трубы. Во-вторых, чтобы добыть наиболее горячую воду, необходимо бурить скважины глубиной два-три километра, что дорого и рискованно. Наконец, открытие нефтегазовых месторождений в Сибири, а также развитие атомной энергетики отодвинули геотермальные проекты на задний план.
Сейчас, похоже, настало время вернуться к теме «подземного тепла» уже на другом уровне. Руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ Станислав Янковский поясняет:
– Все современные ГеоЭС – как паровые, так и бинарного типа, – работают при температурах геотермального флюида более 115°С. Подход, предложенный в ИШЭ ТПУ, предполагает создание геотермальной электростанции бинарного типа – на основе органического цикла Ренкина, которая способна эффективно работать при температурах геотермального флюида от 60°С до 100°С и более высоких. Подобных промышленно эксплуатируемых геотермальных электростанций в России не существует. В этом в первую очередь и заключается уникальность нашей установки.
Для понимания: цикл Ренкина – это термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью рабочего тела. В качестве такового могут выступать, в зависимости от параметров источника тепла, углеводороды, силиконовые масла, хладагенты.
В разработке ТПУ в качестве рабочего тела выступает хладагент – озонобезопасный газ R245fa из группы фреонов. Причём, поскольку ГеоЭС работает по технологии замкнутого (бинарного) цикла, используется хладагент, кипящий при более низких температурах, – от 47°С и более.
– Это позволяет потенциально расширить географию регионов, где можно будет использовать разработанную нами ГеоЭС, – подчёркивает С. Янковский.
Приступая к проекту, учёные ИШЭ ТПУ проанализировали имеющиеся данные о геотермальной отрасли России и других стран. Была составлена карта регионов, наиболее перспективных для развития подобных технологий. В их число вошли Камчатка, Сахалин, Курилы, Северный Кавказ и Западная Сибирь, включая Томскую область.
На основе анализа, выполненного инженерами Центра Хериот-Ватт ТПУ с применением цифровой модели, были разработаны алгоритмы подбора необходимого оборудования и методика подбора оптимального хладагента под температуру термальной воды.
В порядке эксперимента
Опытный экспериментальный образец ГеоЭС смонтирован на территории кампуса ТПУ, возле Лагерного сада. Первые натурные запуски проводятся с использованием физической модели геотермальной скважины.
Руководитель проекта рассказывает:
– Наша ГеоЭС состоит из нескольких модулей – блока подогревателя, испарителя, конденсатора, винтового детандера, генератора. Установка оснащена необходимым измерительным оборудованием и системой управления. Станция работает так. Флюид геотермального источника под давлением поднимается из скважины, через теплообменник передаёт тепло хладагенту. Закипая, хладагент передаёт энергию винтовому детандеру, на валу которого установлен генератор. Наконец, генератор вырабатывает электроэнергию. При этом отработанный хладагент будет конденсироваться и запускаться на следующий цикл.
Кроме того, тепло от флюида можно будет параллельно использовать для отопления потребителей. Таким образом, в перспективе разработка политехников может помочь решить сразу две задачи – по электро- и теплоснабжению.
Станислав Янковский перечисляет особенности своей разработки, которые делают ГеоЭС бинарного типа уникальной.
Прежде всего, установка получает из недр земли низкопотенциальное тепло воды. Её минимальная температура 60°С: это минимум, при котором КПД станции остаётся положительным. Хотя температура воды может быть и более высокой.
В этом её принципиальное отличие от других геотермальных установок, которые работают при температуре подземной воды не ниже 115°С. Тем самым политехники расширяют потенциальный рынок для использования ГеоЭС.
– Уникальность нашей разработки ещё и в том, что винтовые детандеры для ГеоЭС практически не применялись. В существующих станциях используются турбины, – продолжает Станислав Александрович. – Тогда как винтовой детандер эффективен в малом диапазоне мощностей, может работать в смешанном режиме, а также более экономичен в процессе эксплуатации, чем турбина.
Немаловажно, что при проектировании установки изначально делалась ставка на отечественные комплектующие, добавляет собеседник. В опытном образце использовано две-три импортных детали, которые при масштабировании можно будет заменить российскими.
При этом инженеры ИШЭ разработали конструкторскую документацию на свою винтовую машину. Пока напечатана её 3Д-модель, а вскоре будет изготовлен опытный образец. По словам С. Янковского, это ноу-хау политехников, которое позволит полностью, со всеми комплектующими, производить ГеоЭС в России.
Не только Кавказ и Камчатка
Станция специально выполнена в модульном варианте. Оборудование находится в металлическом контейнере, который автомобилем можно перевозить с места на место. Наконец, ГеоЭС может управляться и контролироваться дистанционно. К примеру, находясь в корпусе вуза, специалисты наблюдают за параметрами работы установки, управляют задвижками и так далее.
Станислав Янковский делает особый акцент на расширении потенциального рынка для использования ГеоЭС. Способствовать этому должны несколько факторов.
Так, грунтовые воды с температурой от 60 градусов и выше есть в Западной Сибири, на Дальнем Востоке, на Камчатке. В южной части страны это прежде всего Кавказ. Раньше наиболее перспективными регионами считались Кавказ и Камчатка, поскольку там имеются вулканические породы высокой температуры. А новую ГеоЭС можно будет использовать также в Центральной и Восточной России.
Другое направление, где может применяться такая ГеоЭС, – это обводнённые скважины на нефтяных месторождениях. В России насчитывается более 200 тысяч скважин, порядка 60 процентов из них обводнены, а 30 процентов обводнённых скважин имеют температуру от 60°С и более.
Этот вторичный энергетический ресурс пока никак не используется. Применение ГеоЭС сможет повысить, условно говоря, КПД нефтяных компаний. Например, можно будет частично заменить дизельные электростанции на автономные ГеоЭС бинарного типа. И тем самым увеличить ресурс выработки электроэнергии для собственных нужд.
Ещё одна сфера применения ГеоЭС – так называемая когенерация, то есть процесс одновременного производства электрической и тепловой энергии.
– Модуль моделирования геотермальной скважины– это, по сути, котельная, которая работает на максимальной температуре до 105°С. А температурный график для потребителя – 95/70°С, – поясняет руководитель проекта. – Дельту в 15 градусов можно направлять на выработку электроэнергии для потребителей там, где нет централизованного теплоснабжения. Технологически это особой сложности не представляет.
Выйти на оптимальный КПД
Уточним: на этапе испытаний ГеоЭС политехники не бурили подземную скважину, поскольку это сложно и затратно. Взамен используется модуль, моделирующий геотермальную скважину. С его помощью можно подавать теплоноситель на станцию температурой от 50 до 105°С.
За счёт варьирования температуры инженеры испытывают новую ГеоЭС при различных параметрах. Цель – определить режим работы станции, при котором образуется оптимальный коэффициент полезного действия.
Сейчас продолжаются испытания в условиях, приближенных к реальным, но в уже 2025 году ГеоЭС планируется испытать на практике. Для этого намечена обводнённая разведывательная скважина в одном из северных посёлков Томской области.
– Если испытания пройдут успешно, тогда можно будет масштабировать установку и выводить её на рынок. Собственно, мы сразу ориентировались на потребителя, тем более что ТПУ сотрудничает с широким кругом индустриальных партнёров, – говорит С. Янковский.
В проекте разработки ГеоЭС бинарного типа участвовало около десятка специалистов, включая сотрудников ИШЭ и Центра Хериот-Ватт ТПУ. Половина из них – доценты, кандидаты технических наук. Также в коллектив входят студенты и аспиранты, которые участвуют в испытаниях, в моделировании.
По словам Станислава Янковского, реализация проекта началась в конце 2022-го. За эти два с половиной года у политехников вышел в свет ряд статей, касающихся вопросов геотермальной энергетики (включая высокорейтинговые журналы); была подготовлена совместная монография; издано специальное пособие. В ходе подбора и доводки оборудования участниками проекта получено пять патентов на интеллектуальную собственность.
Опытная установка уже достаточно широко представлена профессиональному сообществу. Так, политехники презентовали свою ГеоЭС на Международном экономическом форуме в Санкт-Петербурге и на нескольких профильных конференциях.
– Сейчас мы занимаемся тем, что выводим оборудование на номинальные параметры, чтобы затем уже предложить ГеоЭС потенциальным партнёрам. Выход на рынок – всегда сложный момент для разработчиков. Но, надеюсь, в ближайшие годы у нас это получится, – подытоживает С. Янковский.
Автор: Светлана Чернозубенко