Горячая вода, которую можно использовать для строительства теплиц, для снабжения теплом жилых домов, для выработки электроэнергии, поступает из множества скважин в Прибрежном и Северном Дагестане. Институт проблем геотермии Дагестанского научного центра РАН, недавно отметивший 35-летие с момента создания, занимается комплексным исследованием геотермальных ресурсов республики. Разработано немало проектов и технологий использования геотермальных ресурсов в народном хозяйстве.
Кооперация науки и производства
Институт, являясь академическим учреждением, не имеет своей производственной базы, и для осуществления проекта нужно сотрудничать с крупными производственными предприятиями, имеющими средства и технические возможности для создания экспериментальных установок, проведения испытаний и запуска успешно испытанного проекта в реальное производство.
В апреле 2010 года было принято Постановление Правительства Российской Федерации №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства». Подпрограмма «Институциональное развитие научно-исследовательского сектора» Государственной программы РФ «Развитие науки и технологии на 2013–2020 годы» предусматривает организацию конкурсов на лучшие проекты и их финансирование.
Один из проектов, разработанных группой ученых Института проблем геотермии под руководством директора института, доктора технических наук, профессора Алибека Алхасова совместно с сотрудниками химического факультета Дагестанского государственного университета, доктора химических наук профессора Арсена Рамазанова, связан с комплексным освоением геотермальных ресурсов.
Подземные горячие воды на территории нескольких месторождений Северного Дагестана кроме того, что могут использоваться для производства электроэнергии, содержат высокие концентрации ценных химических соединений, представляя собой практически геотермальные рассолы. Проект – первый в отечественной практике освоения геотермальных энергетических и минерально-сырьевых ресурсов – заключается в комплексном эффективном освоении высокотемпературных минерализованных гидрогеотермальных рассолов с использованием теплового и химического потенциалов на основе бинарных геотермальных электростанций (ГеоЭС) и химических методов извлечения растворенных компонентов. Завод по производству солей лития обеспечивается той самой электроэнергией, которая вырабатывается ГеоЭС.
Геотермальная электростанция
Практически все действующие и строящиеся в мире ГеоЭС используют в качестве энергоносителя геотермальные жидкости, которые вырабатываются в вулканических сейсмоактивным областях, что связано со значительными капитальными затратами на их строительство и технологическими рисками. Реализация проекта представляет интерес и основы для международного партнерства в сфере создания ГеоЭС значительной мощности в менее активных областях, рентабельность которых будет обеспечиваться в том числе и совместным производством ценных материалов – сырья для атомной, стекольной промышленности, развивающейся индустрии химических источников тока.
В обычной теплоэлектростанции вода под воздействием тепла от горения угля или газа превращается в пар, который направляется по трубам в турбины, соединенные с генераторами, вырабатывающими энергию. Геотермальная вода обычно имеет температуру ниже температуры кипения воды, поэтому используется бинарная схема: в качестве рабочего тела используется не термальная вода, а другая жидкость, имеющая низкую температуру кипения. Термальная вода пропускается через теплообменник, где образуется пар другой жидкости, используемый для вращения турбины.
Разработана методика проведения гидродинамических, тепломассообменных и оптимизационных параметров первичного контура бинарной ГеоЭС. Предложенная методика с использованием аналитических и численных методов расчета позволяет определять оптимальные режимно-эксплуатационные и конструкционные параметры геотермальной циркуляционной системы (циркуляционный дебит, давление нагнетания, диаметры добычной и нагнетательной скважин, расстояние между скважинами). Проведены исследования с привязкой к гидрогеолого-геотермическим условиям конкретных геотермальных месторождений. Расчетными исследованиями установлено, что в контуре ГЦС существует оптимальный дебит термальной воды, соответствующий максимуму вырабатываемой энергоустановкой полезной мощности. С увеличением дебита ГЦС происходит возрастание полезной мощности ГеоЭС и достигает максимума при некотором оптимальном дебите (Рис. 2). Дальнейшее увеличение дебита приводит к снижению полезной мощности, так как резко возрастают затраты энергии на закачку отработанной термальной воды обратно в пласт.
Институтом разработана методика оценки наиболее оптимального низкокипящего рабочего агента вторичного контура бинарной ГеоЭС на основе анализа теплофизических данных и расчетов по оптимизации термодинамического цикла. Рассчитана оптимальная температура испарения рабочего агента, соответствующая максимуму мощности электростанции. На основе проведенных исследований отобраны самые перспективные рабочие агенты – сверхкритические смеси, использование которых является наиболее удобным, так как путем подбора состава смеси можно легко менять их критические свойства в зависимости от внешних условий.
Электроэнергия, вырабатываемая в бинарной ГеоЭС, будет использована для обеспечения потребностей завода по извлечению химкомпонентов из рассолов и на нужды различных потребителей.
Соли и импортозамещение
Привлекательность создания комплексных энергетических технологий и актуальность освоения геотермальных ресурсов Дагестана в качестве источников минерального сырья обусловлены прежде всего тем, что в составе большинства высокоминерализованных геотермальных вод региона содержатся ионы лития в промышленно значимых концентрациях, основными потребителями солей которого являются атомная, стекольная, электрохимическая, фармацевтическая промышленность России. В настоящее время ввоз карбоната лития является основной статьей импорта сырья для обеспечения потребностей указанных отраслей хозяйства страны. Основным источником карбоната лития для российской промышленности является Республика Чили.
Разведанные запасы только Берикейского месторождения термальных вод, содержащих редкие металлы, позволят ежегодно получать более 2 000 т карбоната лития и тем самым полностью обеспечить потребности отраслей промышленности страны. А создание заводов по производству солей лития на Тарумовской, Южно-Сухокумской, Комсомольской и др. месторождениях даст возможность экспортировать указанную продукцию и тем самым создаст предпосылки для существенного улучшения экономики региона и государства в целом. Производство карбоната лития, оксида магния, карбоната кальция и пищевой соли из отработанных в ГеоЭС геотермальных рассолов будет способствовать импортозамещению этих продуктов. Обеспечивается одно из важнейших условий программы импортозамещения – поставка продукции, заменяющей импорт, не только в собственный регион, но и в соседние регионы и страны.
Потребность в карбонате лития, оксиде магния, карбонате кальция и пищевой соли в России достаточно высокая. Завоз импортной пищевой соли в Россию ежегодно составляет около 550 тысяч тонн, в том числе в Ростовскую область – 50 тысяч тонн, Краснодарский край – 48 тысяч тонн. Потребности Республики Дагестан в поваренной соли составляют до 40 000 тонн в год. На оксид магния имеется большой спрос в стекольной промышленности, строительной индустрии для производства магнезиальных вяжущих материалов, сельском хозяйстве для производства комбикормов. Осажденный карбонат кальция, который имеет высокую чистоту и тонкодисперсный состав, используется в резиновой промышленности, в производстве пластиков, принтерных чернил, зубной пасты, а также в органическом синтезе, металлургии, производстве стекла и стройиндустрии.
Потребности только Каспийского завода по производству листового стекла мощностью 600 тонн в сутки, применяющего самые современные технологии стекольной индустрии, в карбонате кальция и оксиде магния составляют 30 и 10 тысяч тонн в год соответственно.
Методики и экспериментальные установки
Результатом исследовательской работы группы ученых Института проблем геотермии и Дагестанского государственного университета стали несколько методик и технологий:
– методика подсчета запасов и оценки перспективности освоения высокотемпературных гидрогеотермальных рассолов месторождений Северо-Кавказского региона на основе изучения их гидрогеолого-геотермических характеристик и химического состава;
– методика проведения гидродинамических, тепломассообменных и оптимизационных расчетов и на их основе выбор оптимального режима эксплуатации первичного контура (геотермальной циркуляционной системы) бинарной ГеоЭС с привязкой к конкретному геотермальному месторождению;
– методика оценки наиболее оптимального низкокипящего рабочего агента вторичного контура бинарной ГеоЭС на основе анализа теплофизических данных и расчетов по оптимизации термодинамических циклов;
– методика разработки технологических схем комплексного освоения геотермальных ресурсов с различными вариантами утилизации отработанного теплоносителя (сброс на поверхности, обратная закачка, частичная закачка);
– программа и методика проведения исследований физико-химических процессов, лежащих в основе переработки отработанных в ГеоЭС геотермальных рассолов с получением солей лития;
– эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец укрупненной лабораторной установки по переработке высокоминерализованных геотермальных вод.
Ученые не ограничились теоретическими исследованиями. Создан экспериментальный образец укрупненной лабораторной установки по переработке редкометалльного гидроминерального сырья.
Кооперация науки и производства
Для реализации проекта, разработанного группой ученых под руководством профессоров Алибека Алхасова и Арсена Рамазанова, «Разработка технологии и технологического оборудования для комплексной утилизации геотермальных и пластовых вод нефтяных месторождений Республики Дагестан» создана рабочая группа с участием ученых Института проблем геотермии, Дагестанского государственного университета, специалистов ПАО «НК “Роснефть-Дагнефть”», Корпорации развития Дагестана. Координирует деятельность рабочей группы заместитель министра промышленности, торговли и инвестиций Казбек Кандауров. Разработана дорожная карта по созданию и продвижению конкурсной заявки. Регулярно проводятся совещания, на которых обсуждается текущее состояние проекта и дальнейшие шаги по работе над ним.
Первый шаг в случае победы проекта в конкурсе – комплексное освоение одной из гидротермальных скважин Северного Дагестана, строительство на ней бинарной ГеоЭС и теплицы. Отработанный рассол с низкой температурой из ГеоЭС и теплицы будет поступать на химический завод, где из рассола будут извлекаться основные химические компоненты (карбонат лития, магнезия жженная, карбонат кальция и поваренная соль), далее вода будет использоваться на различные водохозяйственные цели.
При поддержке руководства Республики Дагестан планируется создание в районе скважины индустриального парка со всеми предусмотренными законодательством Российской Федерации и Республики Дагестан налоговыми льготами, а также небольшого городка для сотрудников ГеоЭС, химического завода и тепличного хозяйства со всей необходимой инфраструктурой и логистикой. Успешная реализация проекта на базе одной скважины даст толчок в создании аналогичных производств на базе многих других скважин, расположенных в Северном и Прибрежном Дагестане.