Освоение геотермальных тепловых насосов (ГТН) носит пока экспериментальный характер, а установленные, как правило, выполняют демонстрационные функции. Однако с 2003 г. интерес к ГТН возрос. В ряде городов: Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Новосибирск, Ярославль, Саратов, Смоленск, Тюмень, Пермь и др. – используются теплонасосные установки для утилизации
тепла промышленных и канализационных стоков, систем теплоснабжения, горячего водоснабжения жилищных, торговых и гостиничных зданий.
Низкопотенциальные, или петрогеотермальные, ресурсы в мире одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
При сопоставлении с традиционными источниками энергии преимущества НГР очевидны:
• возобновляемость;
• повсеместность распространения;
• близость к потребителю;
• высокий потенциал использования: верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20–30°С в расчете на 1 км глубины, а количество теплоты, содержащееся в ее слое глубиной до 10 км (без учета температуры поверхности), может достигать 1026 Дж, что более чем в 70 тыс. раз превышаеттеплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых запасов угля;
• экологическая чистота.
Однако в специфике геотермальных ресурсов есть и ряд минусов:
• нетранспортабельность;
• ограниченность опыта эксплуатации;
• геологическое исследование, которое должно предшествовать разработке во избежание значительного финансового риска при осуществлении капитальных затрат.
НГР могут использоваться для обеспечения тепло- и хладоснабжения (кондиционирования) и горячего водоснабжения зданий и сооружений всех типов. Технология их освоения заключается в использовании
систем извлечения энергии, ее обработки и доставки теплоносителя к потребителю. Тепловые насосы – главный компонент подобных систем.
Рис. 1. Схема работы ГТН: 1 – источник низкопотен-
циального тепла, 2 – ГТН, 3 – потребитель энергии
Принцип действия геотермальных тепловых насосов
Посредством теплоносителя низкопотенциальное тепло поступает в ГТН, рабочие тела которого совершают обратный термодинамический цикл. Выработанная энергия поступает к потребителю. Отработанный теплоноситель следует к эксплуатируемому источнику энергии, и цикл повторяется.
Принципиальная схема работы ГТН – на рис. 1.
В зависимости от вида рабочего тела и типа термодинамического цикла различают два вида ГТН:
• парокомпрессионные, работающие преимущественно на хладонах;
• абсорбционные, в которых в качестве рабочих веществ используются вода и водный раствор бромистого лития.
На сегодняшний день распространение получили только парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН).
Основным признаком классификации является сочетание «источник тепла – агрегатное состояние теплоносителя», в зависимости от которого различают четыре типа тепловых насосов: «грунт – вода»; «грунт –воздух»; «вода – вода»; «вода – воздух».
По уровню тепловой мощности ПТН делятся на: маломощные – до 20 кВт; среднемощные – 21–100 кВт; высокомощные – свыше 100 кВт.
По функциональным нагрузкам выделяют: ПТН только для теплоснабжения; ПТН для тепло- и хладоснабжения; ПТН для горячего водоснабжения; интегрированные системы, совмещающие функции тепло-, хладоснабжения и горячего водоснабжения.
Первые ГТН в России были внедрены еще в 1987 г., однако не получили распространения, в т.ч. ввиду недостаточной потребительской надежности и безопасности выпускаемых тогда насосов.
Ситуация во многом меняется: предприятия стремятся снизить энергоемкость производства, возрастает роль систем автономного теплоснабжения, повышается качество самих насосов. Но межведомственные барьеры досих пор сдерживают не только разработку нормативных документов, но и эксплуатацию уже смонтированных ТН.
Различают два вида геотермальных ресурсов (запасов внутреннего тепла Земли):
высокопотенциальные, или гидротермальные (ВГР), и низкопотенциальные, или петрогеотермальные ресурсы (НГР). ВГР – это тепло термальных вод, пароводяных субстанций, газа, нагретых в результате геологических процессов до высокой температуры (выше 70°С). НГР – это тепло грунта, грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированное в поверхностных слоях земной коры. Температура НГР варьируется в пределах от 5°С до 70°С. НГР не являются геотермальными ресурсами в чистом виде, т.к. в их создании значительный вклад принадлежит солнечной энергии. ВГР составляют порядка 1% от общих геотермальных ресурсов, а их добыча ограничена районами с определенными геологическими параметрами: в России это Камчатка, район Кавказских Минеральных Вод.
Согласно расчетам Research.Techart, в 2009 г. в России было установлено 5,3 МВт тепловых насосов.
Динамика российского рынка геотермальных насосов, по прогнозам Research Techart, в среднесрочной перспективе будет невысокой, однако может активно развивать ся в таких регионах, как Московский, где реализуются программы по энергосбережению правительства Москвы, или Краснодарский край, в связи с подготовкой к Олимпиаде в Сочи. На уровень продаж 2008 г. рынок выйдет не ранее 2014–2015 гг. Сохранится тенденция к увеличению спроса со стороны инфраструктурного и жилищного секторов, а основной объем продаж будут составлять ПТН тепловой мощностью 15–30 кВт. Структура потребления относительно типов ПТН не изменится. Прогнозируется увеличение доли внутренней продукции в общем объеме рынка, хотя в кратко- и среднесрочной перспективе по-прежнему будет доминировать импорт.
В долгосрочной перспективе ведущим фактором развития рынка станет реализация государственной энергетической стратегии. После 2015 г. прогнозируется активный рост. В области технических характеристик ожидается переход на ПТН с углеродными хладагентами. При этом будет увеличиваться потребление как мало- и среднемощных, так и высокомощных ПТН. Спрос подтолкнет
развитие внутренней производственной базы – число российских производителей возрастет и они займут лидирующие позиции на рынке.
К 2020 г. объем рынка ПТН может достичь 8 000–11 000 шт. (460–500 МВт), а на 2030 год – окончание реализации текущей Энергетической стратегии России – 11 000–15 000 шт. (500-700 МВт).