В. А. Бутузов, доктор техн. наук, Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина
Развитие возобновляемой энергетики в современном мире – один из ведущих трендов. Геотермальная энергетика занимает третье место после ветровой и солнечной. Суммарная установленная мощность геотермальных теплонасосных установок (ТНУ) в 2020 году составляла 77,5 ГВт с выработкой тепловой энергии 16,8 тыс. МВт•ч/год. При этом их доля в мировой установленной мощности ТНУ увеличилась до 71,6 %, а выработка тепловой энергии – до 59,2 %.
Теплонасосные технологии получили наибольшее применение при использовании поверхностных геотермальных ресурсов на глубине до 400 м, для оценки которых принципиальное значение имеет понятие «нейтральный слой». В теплофизике горных пород на глубинах ниже нейтрального слоя определяющую роль играет глубинный тепловой поток из недр Земли. На меньших глубинах тепловой режим пород в основном формируется солнечным излучением и климатическими факторами.
В общем случае теплонасосная геотермальная система теплоснабжения состоит из трех основных элементов: устройство для отбора низкопотенциального тепла от массива горных пород, грунтовых или поверхностных вод; собственно тепловые насосы, повышающие температуру до более высоких значений; система теплоиспользования конкретных объектов.
Оценка поверхностных геотермальных ресурсов
Анализ современного российского опыта геотермального теплоснабжения показывает, что его массовому применению препятствует отсутствие современных методик оценки и расчета тепловых режимов поверхностных слоев грунтов и водоемов. Использование западноевропейских методик без учета специфики российских регионов приводит к существенным проблемам при эксплуатации ГТС, а в ряде случаев – к их дискредитации.
Производство российских тепловых насосов в 1992–2000 годах
В девяностых годах прошлого века в России было освоено производство специализированных тепловых насосов. Парокомпрессионные тепловые насосы типа НТ-410 мощностью 400 кВт производили на заводе «Компрессор» в Москве; типа АНТУ мощностью 10,3; 12,0; 14,0 кВт – на приборостроительном заводе в Рыбинске; абсорбционные ТН – на ООО «Термонасос» и ОКБ «Теплосибмаш» в Новосибирске.
В эти годы ведущей российской теплонасосной школой была новосибирская, созданная академиком Владимиром Елиферьевичем Накорякиным (1935–2018) и его учениками. Кандидат технических наук Юрий Маркович Петин (1939–2017) организовал в Новосибирске производство типоряда ТН мощностью от 100 кВт до 5 МВт. За 10 лет, с 1990 по 2000 год, под его руководством ЗАО «Энергия» произвело 126 машин общей мощностью 40 МВт. А. П. Зарубин представил современную отечественную библиографию по тепловым насосам из 116 наименований.
Теплонасосные установки в России: реалии и перспективы
Сегодня в России функционирует лишь ограниченный рынок ТНУ, на котором работают до двух десятков небольших частных компаний. Это результат отсутствия государственной поддержки и региональных программ в данном направлении. Из всех видов ВИЭ до 2035 года предусмотрено развитие только электроснабжения на основе ветровых, фотоэлектрических и малых гидравлических станций (Распоряжение Правительства РФ от 1 июля 2021 года № 1446-Р).
В работе «Возобновляемая энергетика: примеры и практика реального использования» ассоциация специалистов «Зеленый киловатт» представила перечень объектов с использованием ВИЭ, в том числе геотермальных тепловых насосов. Из 14 жилых домов геотермальные ТН применены в половине из них. Для отопления трехэтажного МКД в пос. Решетниково Клинского района Московской области построена ГСТ с 65 зондами (скважинами) и 4 ТН типа «Корса-55» общей мощностью 165 кВт. Из 19 административных, коммерческих и социальных объектов ТН применены в 13, в том числе для отопления административных зданий в г. Приозерске Ленинградской области с ТН типа TME GHP68S мощностью 68 кВт с использованием тепла канализационных стоков, отопление магазина в пос. Сугун Новосибирской области с 24 геотермальными зондами и 3 ТН типа «Экомер-ЭКО-12 Inverter» общей тепловой мощностью 36 кВт. Из 14 промышленных объектов геотермальные ТН применены в 11 случаях, в том числе для отопления 10 вокзалов РЖД с грунтовыми ГСТ с ТН различных производителей.
Планомерно внедрением тепловых насосов сегодня занимается лишь единственная госкорпорация в стране – «Российские железные дороги. Согласно энергетической стратегии РЖД, до 2030 года планируется до 10 % потребления органического топлива объектами стационарной энергетики заместить ВИЭ, в том числе тепловыми насосами.
В связи с ограниченностью рынка российские разработчики ТНУ используют зарубежные конструкции тепловых насосов и (в основном) методики расчета и проектирования профильных фирм. В группе компаний «Инсолар-Инвест» под руководством доктора технических наук Г. П. Васильева в 2001 году было разработано руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии . В 2021 году фирма «Термекс» (Ленинградская область, г. Тосно) приступила к производству геотермальных тепловых насосов: серия Compact мощностью 6–18 кВт, в том числе со встроенным ТЭНом; серия Monoblock мощностью 6–8 кВт со встроенным бойлером; серия PRO мощностью 16–56 кВт. С использованием этого оборудования построены несколько ГСТ, включая школы в пос. Житково (Выборгский район Ленинградской области) мощностью 112 кВт с 3 тепловыми насосами Thermex Energy Pro 32 и 14 геотермальными скважинами глубиной 145 м.
Стимулирование спроса на возобновляемую энергетику в России осуществляется в основном на оптовом и розничном рынках электроэнергии, а также путем организации торговли зелеными сертификатами. Проект закона, подготовленный в 2020 году Минэнерго России, о внесении поправок в действующий закон «Об электроэнергетике», предусматривает помимо прочего введение зеленых сертификатов для квалифицированных объектов с использованием геотермальной энергии с природными подземными теплоносителями, а также низкопотенциальной тепловой энергии земли, воздуха, воды с использованием специальных теплоносителей.
Анализ мирового опыта сооружения ГСТ показал, что одни из лучших результатов достигнуты в Германии, в которой Федеральная ассоциация тепловых насосов объединяет 700 проектных, эксплуатационных, буровых организаций с общей численностью сотрудников 5 000 человек и с годовым оборотом 1,5 млрд евро. В ее состав входят Федеральная ассоциация поверхностного отопления и охлаждения, Немецкая холодильная и климатическая ассоциация DKV, Центр испытаний и повышения квалификации «Тепловые насосы и холодильная техника». На основании этого можно сделать вывод, что в современных российских условиях для консолидации рынка ТН ГСТ целесообразно создание национальной ассоциации тепловых насосов.
Источник: