Аналитический обзор и исследования альтернативные источника тепла

Нуранбаева Б.М., Базарбеков Д.

Каспийский университет, Алматы, Казахстан

Все процессы разработки, эксплуатации нефтегазовых месторождений, подготовки и переработки нефти, газа, вод, применение нефти, газа, угля в роли энергетического источника способны нарушить равновесие экосистемы и создать аномальные условия жизни на земле. Между тем в полном объеме не используются экологический чистые возобновляемые источники энергии. Настало время полнее использовать дары природы для блага человека.

Руководство Республики Казахстан уделяет большое внимание решению глобальных вопросов повышения здоровья нации, проблем экологии и обеспечения энергобезопасности страны. Важным сектором отрасли экономики, способствующей решению этих стратегических задач на долгосрочный период, должна стать энергетика с использованием альтернативных источников энергии.

Имея большую территорию с благоприятными географическими и климатическими условиями, большим числом солнечных дней в году (до 300 дней) при достаточной интенсивности солнечного излучения (1300-1800 кВт/м²), республика занимает ведущее место в мире по потенциалу возобновляемой энергии. Поэтому эффективное использование возобновляемых источников энергии становится важным фактором устойчивого развития страны.

Развитие приоритетных направлений науки и техники в области возобновляемых и альтернативных источников энергии, создание в этой области инновационной инфраструктуры для научных исследований и разработки технологии с получением конкурентоспособной продукции является актуальной проблемой, важность которой будет только расти в условиях общего развития экономики и повышения экологической нагрузки на окружающую среду.

Солнечные параболические концентраторы. В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 оC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "Luz International", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "Luz International" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "Solar Electric Generating System I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II - VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт. Из-за многочисленных законодательных и политических трудностей компания "Luz International" и ее филиалы 25 ноября 1991 года известили о своем банкротстве. Теперь станциями "SEGS I - IX" управляют другие фирмы по старому контракту с "Southern California Edison". От планов постройки "SEGS X, XI, XII" пришлось отказаться, что означает потерю дополнительных 240 МВт запланированной мощности.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная установка тарельчатого типа. Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 ^оС и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике. В октябре 1989 г. энергокомпания закрыла станцию из-за повреждений на главной турбине и нехватки средств для ремонта станции.

Совместное предприятие "Sandia National Lab" и "Cummins Power Generation" в настоящее время пытается поставить на коммерческие рельсы систему мощностью 7,5 кВт. "Cummins" надеется продавать 10 000 единиц в год к 2004 г. Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы "Stirling Technology", "Stirling Thermal Motors" и "Detroit Diesel" совместно с корпорацией "Science Applications International Corporation" создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга.

Использование гелиоконцентратора для подогрева пара

Извлечение тяжелой нефти сегодня требуется расход энергии равный половине тепловой энергии сжигаемой нефти. В дальнейшем по мере истощения запасов легкой нефти это соотношение возрастает до 1 - 1,5, что может привести к резкому снижению рентабельности нефтедобычи.

Существующие способы, снижающие вязкость нефти, такие как добавка в нефть присадок и депрессантов, подогрев электроэнергией или сжиганием нефти весьма дорогостоящи и экологически небезопасны.

Для доказательства этого был разработан способ гелиоподогрева пара для вытеснения тяжелой нефти с использованием гелиоконцентратора.

Термическую обработку скважин на месторождениях тяжелой нефти осуществляли подведением электрического тока непосредственно к призабойной зоне, при этом электроизолированная труба используется в качестве проводника, подводящего ток к нефтеносному пласту. Электрическая проводимость пласта, зависящая от присутствия электролитов в пластовой воде, обычно достаточна для протекания в нем электрического тока с выделением тепловой энергии. Электрическая цепь замыкается электродом, устанавливаемым на поверхности земли на некотором удалении от скважины, в призабойную зону которой подается электроэнергия.

Выработка и использование дополнительных объемов электрической энергии будет направлено на подогрев пара. Закачиваемый в пласт перегретый пар обеспечит уменьшение вязкости добываемой нефти и увеличение её текучести.

В качестве концентратора (коллектора) солнечной энергии предполагается использование параболического коллектора.

Рисунок 1 - Фотоэлектрическая станция

Предложенная технология подогрева пара предусматривает использование солнечной энергии в процессах увеличения нефтеотдачи тепловым воздействием.

Металлические параболические зеркала концентрируют солнечный свет на теплоприемнике, нагревая находящийся внутри теплоноситель – этиленгликоль. Эти зеркала поворачиваются вслед за Солнцем. Нагретый теплоноситель поступает в теплоприемник, где образуется пар, вращающий турбину (рис. 2).

Рисунок 2 – Гелиоконцентратор.

Эта технология пригодна для применения в регионах с числом часов солнечного сияния в год более 2500 - 3000, при годовой производительности от 250 до 100 млн. т/год и выше.

Поскольку комплекс предназначен для месторождений тяжелой нефти, общие запасы которой в Казахстане превышают запасы эксплуатируемых месторождений в несколько раз, то его перспективы в ближайшем будущем очевидны, особенно на малых, экономически неперспективных месторождениях Прикаспия, удаленных от сетей энергоснабжения.

Для опытной проверки предложенной конструкции гелиоконцентратора были проведены испытания действующего макета гелиоконцентратора.

Таким образом, эффективное использование возобновляемых источников энергии становится важным фактором устойчивого развития страны.

Литература.

1. Надиров Н.К. Энергия нефти или солнца// нефть и газ.2005 №2. 111-118 с.

2. Надиров Н.К. Безальтернативная альтернатива нефти и газа // Нефть и газ. 2007.№2. 3-14 с.

3. Надиров Н.К., Низовкин В.М. Использование возобновляемых источников энергии для добычи, транспорта и переработки высоковязких нефтей.// Нефть и газ. 2007.№3. с. 64-68.

3. Надиров Н.К., Низовкин В.М. Энергоэкологическая ситуация ХХI века. Алматы, 2008. 148 с.

4. Белосельский Б.С. Технология топлива и энергетических масел Москва Издательство МЭИ. 2003.

5. Создание гелиосистем аккумулирования, теплоэнергоснабжения

нефтепромысловых объектов. Отчет по НИР. НИЦ «Нефть» НИА 2005.92 с.

6. Разработка способа и технологии транспорта и переработки нефти с

использованием солнечной энергии.Отчет о НИР. НИЦ «Нефть» НИА 2004. 120 с.

7. Ахмеджанов Т.К., Жайылхан Н.А. и др. Солнечный коллектор. Предварительный патент. 2003

8. Надиров Н.К. Развитие возобновляемой энергетики или безальтернативная энергетика. 3-15 с.