Ученые Томского политехнического университета провели первый комплексный анализ особенностей работы разработанной в вузе геотермальной электростанции (ГеоЭС) бинарного типа. На основе выполненных испытаний они смоделировали работу станции в течение календарного года и выяснили, как оптимизировать конструкцию под конкретное геотермальное месторождение и добиться наиболее эффективной выработки электроэнергии. Проект реализуется при поддержке федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети».
Результаты исследования опубликованы в Thermal Science and Engineering Progress (Q1, IF: 5.4).
Ранее инженеры ТПУ разработали опытный образец геотермальной тепловой электростанции (ГеоЭС), в основе работы которой, в отличие от существующих в России геотермальных станций, лежит органический цикл Ренкина. Он основан на преобразовании тепла в энергию с помощью рабочего тела. В качестве рабочих тел могут выступать, в зависимости от параметров источника тепла, углеводороды, силиконовые масла, хладагенты. Использование цикла Ренкина позволяет ГеоЭС ТПУ работать при более низких температурах – от 60 и более градусов Цельсия. Тогда как уже существующие ГеоЭС бинарного типа работают при температурах выше 100 градусов Цельсия. Кроме того, томская ГеоЭС работает по технологии замкнутого цикла, что позволяет минимизировать выбросы в окружающую среду.
«Большинство ГеоЭС в мире используют энергию геотермального источника с температурой воды 100 – 200 градусов Цельсия. Тогда как особый интерес представляют низко- и среднетемпературные источники тепловой энергии. Существуют различные тепловые схемы для выработки электроэнергии: при температуре геотермальной воды выше 160 градусов Цельсия используется одноконтурная схема, а при более низкой температуре предпочтительнее использовать бинарный цикл с органическим рабочим телом», – говорит руководитель проекта, доцент НОЦ И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики Станислав Янковский.
Ученые ТПУ смоделировали работу бинарной ГеоЭС с воздушным охлаждением конденсатора в различных климатических условиях эксплуатации, период исследования – один календарный год. На основе анализа политехники разработали математическую модель, которая включает детальный тепловой расчет схемы геотермальной электростанции, поверочный расчет поверхностей охлаждения конденсатора с воздушным охлаждением и эффективность работы станции в зависимости от различных показателей (типа рабочего тела, массового расхода теплоносителя, температуры теплоносителя, параметров конденсации и других).
Результаты моделирования показали, что количество вырабатываемой электроэнергии может сильно колебаться из-за изменений условий конденсации, вызванных режимом работы конденсатора с воздушным охлаждением. Причем критическим параметром для работы бинарных ГеоЭС, где используется конденсатор с воздушным охлаждением, является температура окружающей среды. Так, исследования суточного и годового профиля чистой выходной мощности ГеоЭС с учетом колебаний температуры окружающей среды показали, что в летние месяцы она может снижаться порядка на 36 % по сравнению с зимой.
«Применение воздушного конденсатора в ГеоЭС на основе органического цикла Ренкина эффективно в климатических районах, где температура окружающего воздуха в теплый период года редко превышает 20 градусов Цельсия. При этом сезонные изменения температуры действительно оказывают существенное влияние на мощность и абсолютный КПД бинарной ГеоЭС. Так, в течение календарного года колебания КПД могут составлять в среднем от 9,3 % (за теплый период) до 14,7 % (за холодный период). Установлено, что на эффективность работы станции также влияют конструкция конденсатора с воздушным охлаждением (оптимальное количество модулей, возможность отключения и подключения отдельных секций, регулирование скорости подачи воздуха в секции). Все эти данные позволят оптимизировать конструкцию и состав оборудования станции для компактного размещения и наиболее эффективной выработки электроэнергии на конкретном геотермальном месторождении», – подчеркивает руководитель проекта.
Политехники также провели численные исследования, чтобы выявить оптимальные для получения тепловой энергии рабочие тела. Так, анализ показал, что предпочтительнее использовать в качестве рабочего тела такие озонобезопасные газы, как R245fa, R365mfc, R245ca из группы фреонов.
Рекомендации ученых ТПУ в будущем позволят оптимизировать работы при проектировании и увеличить эффективность работы бинарных ГеоЭС на основе органического цикла Ренкина.
Источник: пресс-служба Томского политехнического университета
