Използване на геотермални води

Нарастващите цени на изкопаемите горива значително повишават конкурентоспособността на енергийните технологии, базирани на ВЕИ и особено на геотермалната енергия. През последните години бързо се развиват технологиите за директно използване на геотермални ресурси в топлоснабдяването. В България поради относително ниските температури на геотермалните води(под 100°C), топлинната им енергия се използва, главно за отопление на сгради. В статията ще разкажем за характеристиката на геотермалните води, за нормативните изисквания, за съвременните технологии за използване на топлинната енергия от геотермалните води, за особеностите при избора на схеми и оборудване на геотермалните системи за топлоснабдяване, за топлоснабдяването с високотемпературна и нискокотемпературна геотермална вода.

Текст: списание Инфрабилд

Геотермалната енергия на подземните води чрез геотермални топлофикационни системи, се използва за отопление, както на жилищни или търговски сгради, посредством разпределителни мрежи. Системите за геотермална топлофикация могат да са малки от 0,5 до 2MWth (термални мегавата) или по-големи, с капацитет 50MWth. Някои нови геотермални топлофикационни системи, захранвани от плитко заложени геотермални ресурси, работят с големи термопомпи. Внедряването на геотермални отоплителни системи в градски райони с голяма плътност на застрояване и население, подобрява перспективите на общинската икономика.

Модернизацията и използването на съществуващи топлофикационни мрежи в населени места е добра алтернатива за развитието на пазара на геотермалните топлофикационни системи. През последните години технологиите за геотермална топлофикация се развиват с все по-ускорени темпове. Понастоящем в експлоатация са около 250 обекта за геотермална топлофикация в Европа, с обща инсталирана мощност около 4400MWth и прогнозна годишна производителност, възлизаща на 13 000 GWh/годишно. В България през 2018 г., инсталираните мощности за индивидуално отопление са 17,6%-19,23MWth, а произведената енергия 150,36TJ/год.

Стойността на 1kW инсталирана мощност в изградени инсталации е била около 600EUR. Цената на произведена топлинна енергия чрез термопомпи е била около 2EURcents/kWh. Основните предимства на геотермалното отопление са осигуряване на възобновяем енергиен източник за базовото потребление на топлоенергия, разнообразяване на енергийните източници, намаляване вноса на природен газ, защита срещу постоянно растящи цени на изкопаемите горива. Използването на геотермалните води създава възможности за икономически растеж под формата на приходи за страната и създаване на работни места. Геотермалната енергия, използвана за централни топлофикационни системи, е прогнозируема, стабилна и поддържа енергийната сигурност на домакинствата.

Характеристика на геотермалните води и използването им за отопление

В България има повече от 220 находища на минерални води с различни свойства и температура (13-98°C). Около 20,5% от откритите извори в Северна България се използват, докато в Южна България около 14,5%. Приблизително 72% от откритите и експлоатирани от държавата термални извори-минерални и геотермални, са със сравнително ниска температура на водата-до 50°C.  Дебитът на водата варира между 1-20 L/s в 75% от източниците.  Дебитът на използваните извори е по-голям от 500 000 m³ годишно(около 16L/s) само в 5 региона от страната-Разлог, Южна Средна Гора, Сандански, Чепино и тези в Северна България.

Най-високата температура-98°C, е измерена в Сапарева баня, където се отопляват 9 сгради, а най-високите дебити са концентрирани в Североизточна България. Отоплението на сгради и оранжерии е с по-голям дял в Южна България, в сравнение със Северна България, където е слабо застъпено. Използването на геотермални води за отопление не отбелязва особено развитие, поради няколко причини. Такива са липса на хармонизирана нормативно-техническа документация в областта с Европейските стандарти, а също и на административен капацитет. Регулаторни ограничения-одобрения и съвместимост с известен брой национални и местни наредби, както и правни и финансови гаранции.

Сложни и продължителни административни процедури за получаване на разрешителни и издаване на концесии. Липса на опростено финансиране на проектите за геотермална топлофикация, изискващи големи капиталови инвестиции, както и липсата на ивестиционен интерес за изграждане на отоплителни системи. Високите инфраструктурни капиталовложения в геотермални отоплителни системи (изследвания, сондажи, енергийни съоръжения, спомагателно оборудване и разпределителни мрежи) могат да бъдат компенсирани от по-ниски експлоатационни разходи, при правилно управление на рисковете.

Повечето от изградените отоплителни инсталации са стари и не са в добро техническо състояние-остарели водовземни съоръжения, които са преминали отдавна експлоатационния си срок, лошо стопанисване на каптажните съоръжения, занижен контрол при ползването и опазването на минералната вода и др. Според екоспециалисти, при температура от 60°C до 100°C на геотермалната вода на дълбочина 1000m, е възможно градовете-Плевен, Шумен, Търговище, Благоевград и Смолян, да бъдат напълно топлофицирани с геотермална енергия.

Становището на МОСВ, е че потенциалът за използване на минералните води за „отопление” може да се реализира според даденостите на съответното находище, на водовземните съоръжения и на състава на минералната вода. В Северна България стойностите на общата минерализация на геотермалните води варират, от по-малко от 1,0g/L в по-плитките части на водоносните хоризонти и Предбалкана, до над 150,0g/L (разсоли) в дълбоките им части. В Южна България повече от 90% от водоизточниците имат ниска обща минерализаци(под 1,0 g/L).

Само за няколко водоизточници, разположени близо до Черноморското крайбрежие (курорт Слънчев бряг), са установени стойности на обща минерализация над 14,0g/L. Количествата минерални води с температура в диапазона 40-98°С, биха могли да се използват чрез топлообменници и за отопление. Това са например 1248,7L/s или повече от 50% от технически възможния дебит на съоръженията за находища изключителна държавна собственост и 96,5L/s или 22% от технически възможния дебит на съоръженията за находища публична общинска собственост. MOСВ също е предоставило права за стопанисване и управление на минерална вода за отопление и оранжерийно производство от находищата-„Сандански”, „Велинград Каменица”, „Драгиново”, „Симитли”, „Рупитем.Кожух”, „Благоевград”, „Сапарева баня”, „Стралджа”, „Левуново”, „Ерма река”. Тези находища са примери за ефективното използване на геотермална (топлинна) енергия на минералните води.

Нормативни изисквания за използването на геотермалните води

За минералната вода от находища-изключителна държавна собственост, ползването й се извършва по реда на Закона за концесиите и Закона за водите. Правата за ползване се предоставят във вид на концесионен договор или разрешително за водовземане, издадено от директора на съответната Басейнова дирекция или кмета на общината, ако находището е предоставено за стопанисване. Ползването на геотермалните води от находищата-публична общинска собственост, е по реда на Закона за концесиите и Закона за общинската собственост.

Правата за ползване са във вид на концесионен договор (общинска концесия за добив) или разрешително за водовземане, издадено от кмета на съответната община. При използването на минералните води чрез разрешителен режим, се спазват приоритетите при удовлетворяване на изискванията за водовземане съгласно Закона за водите, а именно за топлоснабдяване. Най-важните разрешителни, необходими за реализирането на един проект за централна геотермална топлофикация на населените места, са следните.

Разрешително за водоползване, минни разработки и извличане на минерали. Разрешително за проучвания. Разрешително за изграждане на кладенец. Права на разработка. Плащане на такси. Оценка за въздействие върху околната среда (ОВОС). Екологично разрешително. Разрешително за строеж на централната/разпределителната мрежа, с възможно задължение за пространствено планиране, за да се изгради топлофикационна мрежа. Разрешително за разрушаване.

Съвременни технологии за използване на топлинната енергия от геотермалните води

Най-новите топлоенергийни технологии, използващи геотермални ресурси, са екологични и се доближават до традиционните по отношение на ефективността. При съвременните геотермални отоплителни системи коефициентът на използване на енергията достига 90%, което е 3-4 пъти по-високо, отколкото при технологиите, използващи други ВЕИ (слънчева, вятърна и приливна енергии). През последните години активно се развиват геотермални системи за отопление на базата на термопомпи. В такива системи като основен източник на топлина се използват нискокачествена (до 55°C) термална вода и петротермална енергия от горните слоеве на земната кора.

Колкото по-високо е температурното ниво на топлинния източник, толкова по-ефективно работи термопомпата. За отопление с геотермални води най-голямо приложение имат термопомпите-вода/вода. Тези термопомпи могат да повишат усвояването на излишната геотермална топлина само от топлообмен, като намаляват до минимум температурите на отделяне на топлина и повишават температурите в разпределителната мрежа от геотермалния топлообменник до потребителите (консуматорите). В съответствие с това могат да бъдат създадени разнообразни комбинации от термопомпи-серийни, паралелни или хибридни модели.

В някои случаи успешно се използват абсорбционните термопомпи, често пъти прилагани в геотермалните когенерационни топлоелектроцентрали. Приблизително 57% от общия капацитет на геотермалните топлинни системи в света се падат на термопомпени системи. Световната обща инсталирана мощност на термопомпените системи е 15 723MW, с годишно производство на топлина от 86 673TJ. Тези технологии са получили най-голямо развитие в САЩ, Германия, Канада. В повечето случаи термопомпите се използват за подгряване на прясна вода за отопление и питейно-битово топлоснабдяване.  В бъдеще е възможно да бъдат разработени хибридни възобновяеми системи на геотермални води в комбинация с енергии от биомаса и фотоволтаични системи.

Особености при избора на схеми и оборудване на геотермалните системи за топлоснабдяване

Основните особености на геотермалните води са еднократното им използване в топлоснабдителните системи и постоянна температура. В традиционните системи за топлоснабдяване отработените  води се връщат в парокотелното отделение или ТЕЦ, като е необходимо по-малко гориво за възстановяване на първоначалната им температура. В геотермалните системи за топлоснабдяване, топлинният потенциал на водата, която не се използва от потребителя, когато се зауства (или се изпомпва обратно в земния водоносен пласт) се губи завинаги. При постоянен дебит на геотермален кладенец, в зависимост от крайната температура на изворната вода, е възможно да се осигури топлинна енергия на различен брой потребители.

Според анализ на Геологическия институт на БАН извлекаемата от водите земна топлина (нискотемпературна геотермална енергия) в България, изразена в топлинна мощност, е между 1500 до 2000MW. За отопление и водоснабдяване с топла вода на жилищни и промишлени сгради е необходима температура на водата най-малко 50-60°C. Най-рационалното използване на геотермалните води може да се постигне с последователното им приложение-първоначално за отопление, а след това за водоснабдяване с топла вода. Но това създава известни трудности, тъй като нуждата от топла вода е относително постоянна през цялата година, докато отоплението е сезонно. То зависи от климатичните условия на района, външната температура, сезона на годината и деня.

Максимален енергиен ефект се постига чрез създаване на специални отоплителни системи с повишена температурна разлика, използване на повторно нагряване при върхово (пиково) топло-потребление за поддържане на необходимата температура на водата в зависимост от промяната на външната температура, както и на термопомпи, разработване на интегрирани схеми за геотермално топлоснабдяване с набор от последователни консуматори. Най-простите и икономични са системите с директно подаване на геотермална вода към отоплителната система. Такива системи изискват високо-качествени химически показатели на геотермална вода, при използването на която процесите на отлагане на соли и корозия практически отсъстват.

Ресурсите на такива води обаче са незначителни, поради което на практика най-често се използват системи с използване на междинни топлообменници или с предварителна химическа обработка на водата (водоподготовка). Принципните геотермални схеми за топлоснабдяване трябва да бъдат избрани, като се вземат предвид температурата и химичния състав на геотермалната вода, естеството на възможната консумация на геотермална топлина, условията за заустване на отработената геотермална вода, наличието на източник на питейна вода, взаимното разположение на термалното водохващане, потребителя, мястото на заустване и източника на питейна вода, както и разстоянията между тях.

Геотермалната енергия не може икономично да бъде транспортирана на дълги разстояния. Развитието на геотермални ресурси е възможно само там, където вече има съответните потребители на топлинна енергия или е икономически целесъобразно да се изградят съоръжения за използване на геотермална енергия. Оборудването на геотермалните системи за топлоснабдяване трябва да бъде избрано, като също се вземат предвид данните за химическия и газовия състав на геотермалната вода, както и тестването й за агресивност и склонност към отлагане на соли.

Излишното налягане в кладенеца трябва да се използва само за подаване на геотермалната вода към събирателен резервоар. Доставянето на изворната вода до потребителя трябва да се извършва чрез помпи. При директно подаване на геотермалната вода от сондажа към потребителя се създава противоналягане, което намалява динамичното ниво на самоизливане  и води до намаляване на работния дебит на кладенеца. В зависимост от хидро-геотермалните характеристики на кладенеца и качеството на геотермалната вода има голям брой различни принципни схеми за топлоснабдяване.

Топлоснабдяване с високотемпературна силно минерализирана геотермална вода

Геотермалната вода  с температура над 80°C, е силно минерализирана. При тези условия става необходимо да се монтират междинни топлообменници за да се избегне обрастването на тръбопровода. Принципната схема на геотермално  топлоснабдяване с топлообменници се състои от кладенец, топлообменник на отоплителната система, топлообменник за топла вода от 1-ви етап,  топлообменник за топла вода от 2-ри етап, отоплителна система.

Силно минерализираната вода от кладенеца се подава в резервоар със серпентина, през който тече прясна вода. Загрятата прясна вода отива към потребителя, а солите, които изпадат от термалните води, се отлагат в резервоара и по външните повърхности на серпентината. Недостатъкът на схемата с топлообменник е намаляването на задействания потенциал на термалната вода(чрез крайната температурна разлика в топлообменника).

Топлоснабдяване с нискокотемпературна слабо минерализирана геотермална вода

Геотермалната вода с температура под 80°C, е слабо минерализирана. Тук е необходимо увеличаване на топлинния потенциал на термалната вода. Това може да стане по различни начини. Един от основните от тях е използването на компресорна термопомпа. Принципната схема на геотермално топлоснабдяване с термопомпа се състои от кладенец, изпарител, компресор, кондензатор, управляващ клапан.

Топлата вода от кладенца се подава към изпарителя на термопомпата, където топлината й се предава на бързо изпаряващото се работно вещество. Получените пари се компресират от компресора и се изпращат към кондензатора, където кондензират при по-високо налягане, отдавайки топлина на прясната водата, циркулираща в отоплителната система. Охладената вода се изхвърля в канализацията. Ефективността на схемата се повишава, когато термопомпата работи в режим на хладилна машина през лятото.