Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины

Мета роботи. Районування та картування території України за потенційною продуктивністю геотермальних систем теплопостачання будівель та рентабельності їх експлуатації на основі сучасних інвестиційних критеріїв. Методика. Виконані економічні та термогідродинамічні розрахунки за оцінкою потенційної...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автор:	Инкин, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2019
Назва видання:	Физико-технические проблемы горного производства
Теми:	Технико-экономические проблемы горного производства
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162818
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины / А.В. Инкин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2019. — Вип. 21. — С. 146-159. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-162818
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1628182020-01-18T01:26:15Z Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины Инкин, А.В. Технико-экономические проблемы горного производства Мета роботи. Районування та картування території України за потенційною продуктивністю геотермальних систем теплопостачання будівель та рентабельності їх експлуатації на основі сучасних інвестиційних критеріїв. Методика. Виконані економічні та термогідродинамічні розрахунки за оцінкою потенційної теплопродуктивності та чистої дисконтної вартості (NPV) систем теплопостачання будинків з урахуванням геологічних особливостей території України. Оцінка ефективності використання геоциркуляційних систем (ГЦС) виконана з урахуванням відкачування води на земну поверхню, вилучення тепла та повторного закачування охолодженої води в резервуар. Результати. Визначені параметри водоносних горизонтів розташованих у межах Закарпатського прогину, Волино-Подільської плити, Дніпровсько-Донецької та Причорноморської западини які характеризуються підвищеним значеннями геотермального градієнта та є перспективними для освоєння термальних вод. Зокрема, виконана оцінка діапазону глибин відбору та очікуваного дебіту термальних вод. Ці данні використовувались для створення карт потенційної теплопродуктивності ГЦС на території України. Наукова новизна. На основі встановлення теплопродуктивності ГЦС була виконана економічна оцінка рентабельності їх експлуатації з використанням параметру NPV в якості основного критерію. Використання ГЦС дозволяє збільшити роль геотермальних ресурсів в енергетичному балансі деяких регіонів, оскільки ці системи дозволяють відбирати тепло від нагрітих водоносних гірських порід. Практична значимість. Створені карти дозволяють визначити найбільш перспективні території для інвесторів з точки зору геотехнічної та гідрогеологічної можливості розташування геотермальних систем. Максимальна ефективність ГЦС очікується у північному Криму та Причорноморському регіоні (20 – 30 Гкал/добу на глибині 1,5 км при дебіті 500 м³/добу та 120 – 180 Гкал/добу на глибині 3 км при дебіті 1500 м³/добу). Параметр NPV досягає позитивних значень 0,5 – 1 млн євро навіть у районах із середнім тепловим потоком (≈ 60 мВт/м) та дебітом свердловини 200 м ³/добу. Цель. Районирование и картирование территории Украины по потенциальной производительности геотермальных систем теплоснабжения зданий и рентабельности их эксплуатации на основе современных инвестиционных критериев. Методика. Выполнены экономические и термогидродинамические расчеты по оценке потенциальной теплопродуктивности и чистой дисконтированной стоимости (NPV) систем теплоснабжения зданий с учетом геологических особенностей территории Украины. Оценка эффективности использования геоциркуляционных систем (ГЦС) выполнена с учетом откачки воды на земную поверхность, извлечения тепла и повторной закачки охлажденной воды в резервуар. Результаты. Определены параметры водоносных горизонтов расположенных в пределах Закарпатского прогиба, Волыно-Подольской плиты, Днепровско-Донецкой и Причерноморской впадины которые характеризуются повышенными значениями геотермального градиента и являются перспективными для освоения термальных вод. В частности, выполнена оценка диапазона глубин отбора и ожидаемого дебита термальных вод. Эти данные использовались для создания карт потенциальной теплопродуктивности ГЦС на территории Украины. Научная новизна. На основе установления тепловой мощности ГЦС была выполнена экономическая оценка рентабельности их эксплуатации с использованием параметра NPV в качестве основного критерия. Использование ГЦС позволяет увеличить роль геотермальных ресурсов в энергетическом балансе некоторых регионов, поскольку эти системы позволяют отбирать тепло от нагретых водоносных горных пород. Практическая значимость. Созданные карты позволяют определить наиболее перспективные территории для инвесторов с точки зрения геотехнической и гидрогеологической возможности расположения геотермальных систем. Максимальная эффективность ГЦС ожидается в северном Крыму и Причерноморском регионе (20 – 30 Гкал/сут на глубине 1,5 км при дебите 500 м³/сут и 120 – 180 Гкал/сут на глубине 3 км при дебите 1500 м³/сут). Параметр NPV достигает положительных значений 0,5 – 1 млн евро даже в районах со средним тепловым потоком (≈ 60 мВт/м2) и дебитом скважины 200 м³/сут. Purpose. Zoning and mapping of the territory of Ukraine on the potential heat capacity of geothermal systems for heating buildings, which can be used by stakeholders to evaluate the profitability of their operation based on modern investment criteria. Methods of the study includes economic and thermo-hydrodynamic calculations that allow estimating the potential heat capacity and net present value (NPV) of heat supply systems for buildings taking into account geological structure and hydrogeological conditions of Ukrainian territory. We assessed the efficiency of using a geo-circulation system (GCS) that comprises pumping out water to the ground surface, extracting heat, and re-injecting cooled water into the reservoir. Findings. The characteristics of aquifers located within Transcarpathian trough, Volyn-Podolsky plate, and the Dnieper-Donets and Black Sea basins with heightened values of geothermal gradient as the most promising for thermal water exploration have been identified. Particularly, we evaluated the range of feasible exploration depths and expected discharge that were used for creation of the maps of potential GCS heat capacity for Ukrainian territory. Originality. Based on heat capacity we made an economic assessment of the profitability of GCS operation using the parameter of NPV as the main criterion. The GCS use enables increasing the role of geothermal resources in the energy balance of some regions, since these systems enable extracting heat from heated water-bearing rocks. Practical implications. The created maps allow identifying the most promising sites for investors in terms of geotechnical and hydrogeological feasibility for location of geothermal systems. The maximum GCS efficiency is expected for the north Crimea and Black Sea coastal area (20-30 Gcal/day at a depth of 1.5 km and flow rate of 500 m³/day and 120-180 Gcal/day at a depth of 3 km and flow rate of 1500 m³/day). The parameter of NPV reaches positive values of 0.5-1 Mio € even in the areas with average heat flux of about 60 mW/m³ and well flow rate of 200 m³/day. 2019 Article Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины / А.В. Инкин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2019. — Вип. 21. — С. 146-159. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2664-1771 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162818 620.9 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Технико-экономические проблемы горного производства Технико-экономические проблемы горного производства
spellingShingle	Технико-экономические проблемы горного производства Технико-экономические проблемы горного производства Инкин, А.В. Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины Физико-технические проблемы горного производства
description	Мета роботи. Районування та картування території України за потенційною продуктивністю геотермальних систем теплопостачання будівель та рентабельності їх експлуатації на основі сучасних інвестиційних критеріїв. Методика. Виконані економічні та термогідродинамічні розрахунки за оцінкою потенційної теплопродуктивності та чистої дисконтної вартості (NPV) систем теплопостачання будинків з урахуванням геологічних особливостей території України. Оцінка ефективності використання геоциркуляційних систем (ГЦС) виконана з урахуванням відкачування води на земну поверхню, вилучення тепла та повторного закачування охолодженої води в резервуар. Результати. Визначені параметри водоносних горизонтів розташованих у межах Закарпатського прогину, Волино-Подільської плити, Дніпровсько-Донецької та Причорноморської западини які характеризуються підвищеним значеннями геотермального градієнта та є перспективними для освоєння термальних вод. Зокрема, виконана оцінка діапазону глибин відбору та очікуваного дебіту термальних вод. Ці данні використовувались для створення карт потенційної теплопродуктивності ГЦС на території України. Наукова новизна. На основі встановлення теплопродуктивності ГЦС була виконана економічна оцінка рентабельності їх експлуатації з використанням параметру NPV в якості основного критерію. Використання ГЦС дозволяє збільшити роль геотермальних ресурсів в енергетичному балансі деяких регіонів, оскільки ці системи дозволяють відбирати тепло від нагрітих водоносних гірських порід. Практична значимість. Створені карти дозволяють визначити найбільш перспективні території для інвесторів з точки зору геотехнічної та гідрогеологічної можливості розташування геотермальних систем. Максимальна ефективність ГЦС очікується у північному Криму та Причорноморському регіоні (20 – 30 Гкал/добу на глибині 1,5 км при дебіті 500 м³/добу та 120 – 180 Гкал/добу на глибині 3 км при дебіті 1500 м³/добу). Параметр NPV досягає позитивних значень 0,5 – 1 млн євро навіть у районах із середнім тепловим потоком (≈ 60 мВт/м) та дебітом свердловини 200 м ³/добу.
format	Article
author	Инкин, А.В.
author_facet	Инкин, А.В.
author_sort	Инкин, А.В.
title	Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины
title_short	Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины
title_full	Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины
title_fullStr	Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины
title_full_unstemmed	Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины
title_sort	обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов украины
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Технико-экономические проблемы горного производства
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162818
citation_txt	Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины / А.В. Инкин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2019. — Вип. 21. — С. 146-159. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT inkinav obosnovaniegeotehnologičeskihiékonomičeskihparametrovrazrabotkigeotermalʹnyhresursovukrainy
first_indexed	2025-07-14T15:19:02Z
last_indexed	2025-07-14T15:19:02Z
_version_	1837636090931970048
fulltext	Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 146 УДК 620.9 https://doi.org/10.37101/ftpgp21.01.009 ОБОСНОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРАБОТКИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ УКРАИНЫ А.В. Инкин1* 1Национальный технический университет «Днепровская политехника», г. Днепр, Украина 1Институт физики горных процессов Национальной академии наук Украины, г. Днепр, Украина Ответственный автор: e-mail: inkin@ua.fm JUSTIFICATION OF GEOTECHNOLOGICAL AND ECONOMIC PARAMETERS OF DEVELOPMENT OF GEOTHERMAL RESOURCES OF UKRAINE O.V. Inkin1 1Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine Institute for Physics of Mining Processes the National Academy Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine *Corresponding author: e-mail: inkin@ua.fm ABSTRACT Purpose. Zoning and mapping of the territory of Ukraine on the potential heat ca- pacity of geothermal systems for heating buildings, which can be used by stake- holders to evaluate the profitability of their operation based on modern investment criteria. Methods of the study includes economic and thermo-hydrodynamic calculations that allow estimating the potential heat capacity and net present value (NPV) of heat supply systems for buildings taking into account geological structure and hydroge- ological conditions of Ukrainian territory. We assessed the efficiency of using a geo-circulation system (GCS) that comprises pumping out water to the ground sur- face, extracting heat, and re-injecting cooled water into the reservoir. Findings. The characteristics of aquifers located within Transcarpathian trough, Volyn-Podolsky plate, and the Dnieper-Donets and Black Sea basins with height- ened values of geothermal gradient as the most promising for thermal water explo- ration have been identified. Particularly, we evaluated the range of feasible explo- ration depths and expected discharge that were used for creation of the maps of potential GCS heat capacity for Ukrainian territory. Originality. Based on heat capacity we made an economic assessment of the prof- itability of GCS operation using the parameter of NPV as the main criterion. The GCS use enables increasing the role of geothermal resources in the energy balance https://doi.org/10.37101/ftpgp21.01.009 Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 147 of some regions, since these systems enable extracting heat from heated water-bear- ing rocks. Practical implications. The created maps allow identifying the most promising sites for investors in terms of geotechnical and hydrogeological feasibility for loca- tion of geothermal systems. The maximum GCS efficiency is expected for the north Crimea and Black Sea coastal area (20-30 Gcal/day at a depth of 1.5 km and flow rate of 500 m3/day and 120-180 Gcal/day at a depth of 3 km and flow rate of 1500 m3/day). The parameter of NPV reaches positive values of 0.5-1 Mio € even in the areas with average heat flux of about 60 mW/m2 and well flow rate of 200 m3/day. Keywords: thermal waters, geo-circulation system, heat capacity, net present value, mapping 1. ВВЕДЕНИЕ Ограниченность запасов нефти и природного газа в Украине приводит к необходимости поиска альтернативных систем теплоснабжения гражданских и промышленных объектов. При этом наиболее распространенным и доступ- ным к техническому использованию нетрадиционным источником тепловой энергии в настоящее время являются термальные воды, прогнозный потен- циал которых неодинаков по районам страны [1]. По оценкам различных ор- ганизаций, развитие систем геотермального теплоснабжения позволит не только сэкономить органическое топливо, но и упростит решение ряда эколо- гических проблем промышленных мегаполисов [2, 3]. Кроме того, суще- ственным преимуществом термальных вод является возобновляемость их ре- сурсов, благодаря чему их эксплуатация будет способствовать поддержанию общего энергетического баланса государства. Мировой научно-практический опыт освоения геотермальной энергии [4] показывает, что ее эффективное использование сопряжено с необходимостью первоочередного поиска наиболее перспективных в технико-экономическом отношении участков расположения геотермальных станций. В связи с этим целью данной работы является районирование и картирование территории Украины по потенциальной производительности геотермальных систем теп- лоснабжения зданий и рентабельности их эксплуатации на основе современ- ных инвестиционных критериев. 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Анализ геотермических условий Украины показывает неравномерное рас- пределение теплового потока по ее территории. Так, на западе страны, в пре- делах складчатой провинции Карпат, тепловой поток, равный в среднем 100 мВт/м2 обуславливает температуру подземных вод на глубине 1 км – 65 – 70 °С и 2 км – 100 –110 °С (табл. 1). Далее на восток (район Во- лыно-Подольской плиты) значения теплового потока постепенно снижаются до 50 – 70 мВт/м2, что соответственно вызывает уменьшение температуры подземных вод до 35 –40 °С на глубине 1 км и 60 – 70 °С – на глубине 2 км. Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 148 Таблица 1. Распределение температуры и дебитов термальных вод по районам Украины Гидрогеологиче- ский район Глу- бина, км Водоносные по- роды и их возраст Темпера- тура под- земных вод, °С Дебит скважин, м3/сут Складчатая про- винция Карпат (запад Украины) 0,6 – 0,9 Песчаники и из- вестняки, N1 3 50 – 75 430 – 1200 1,9 – 2,3 Пески, N1 2 120 – 130 5 – 10 Волыно-Подоль- ский артезианский бассейн (северо- запад Украины) 0,9 – 1,1 Трещиноватые песчаники и из- вестняки, D 35 – 45 20 – 40 1,8 – 2,0 Трещиноватые песчаники и из- вестняки, D 60 – 70 20 – 40 Складчатая про- винция Украин- ского кристалли- ческого щита (центральная часть Украины) 0,8 – 1,0 Закарстованные доломитовые мра- моры, PR 30 – 35 300 – 400 1,9 – 2,4 Граниты, PR 50 – 55 50 – 100 Причерномор- ский артезиан- ский бассейн (юг Украины) 1,5 Мергели и песча- ники, К 50 500 – 1500 3,0 Мергели и песча- ники, К 90 500 – 1500 Складчатая про- винция Горного Крыма (Крым- ский полуост- ров) 1,1 Закарстованные известняки и пес- чано-глинистые породы, T3 – J2 30 – 35 10 – 20 1,9 Закарстованные известняки и пес- чано-глинистые породы, T3 – J2 65 – 70 10 – 20 Складчатая про- винция Донец- кого бассейна (восток Укра- ины) 0,9 – 1,2 Трещинные и тре- щинно-карстовые известняки, D2 27 – 40 200 – 400 1,8 – 2,0 Песчаники и кон- гломераты, D2 70 – 75 75 – 150 Днепровско-До- нецкий артезиан- ский бассейн (се- веро-восток Украины) 1 – 1,2 Пески и песча- ники, Р 35 – 60 10 – 250 1,9 – 2,3 Трещиноватые песчаники и из- вестняки, D 50 – 90 80 – 500 Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 149 В центральной части Украины (Украинский кристаллический щит) вели- чина потока в большинстве случаев не превышает 40 мВт/м2, что обуславли- вает невысокую температуру вод (до 35 °С на глубине 1 км и 55 °С – на глу- бине 2 км). Более существенные значения геотермического потока отмечены на юге и северо-востоке (Причерноморский и Днепровско-Донецкий бас- сейн), где его величина достигает 50 – 60 мВт/м2, а температура подземных вод – 45 и 65 °С на глубине 1 и 2 км соответственно. В связи с тем, что большая часть термальных вод Украины обладает высо- кой минерализацией, их непосредственный сброс после использования на дневную поверхность недопустим, поскольку может нанести существенный экологический ущерб. Естественной альтернативой является применение гео- циркуляционных систем (ГЦС), предполагающих откачку вод на поверх- ность, отбор тепла из них и обратное нагнетание вод в пласт [5]. Такая си- стема резко повышает роль геотермальных ресурсов в энергетическом ба- лансе, так как с ее помощью извлекается тепло подземных вод, а также часть тепла водовмещающих пород. При этом, во избежание коррозии и солеотло- жения в отопительных приборах, отбор тепла термальных вод на дневной по- верхности должен производиться путем его передачи пресной воде с помо- щью промежуточных теплообменников по следующей схеме (рис. 1). Рисунок 1. Схема геоциркуляционной системы: 1, 2 – добывающая и нагнета- тельная скважина; 3 – пласт-коллектор; 4 – теплоизолированный бак-аккуму- лятор; 5 – насос; 6 – теплообменник; 7 – отопительные приборы; 8 – 11 – соответственно путь движения термальной, водопроводной, горячей и отработанной воды Вода из добывающей скважины накапливается в баке-аккумуляторе и по мере потребности подается насосом в теплообменник, куда также поступает холодная вода из водопровода. В теплообменнике происходит нагрев водо- проводной воды, после чего она направляется потребителю для отопления и горячего водоснабжения. Отработанная и охладившаяся вода из теплообмен- ника закачивается обратно в пласт через нагнетательную скважину. Эффективность работы данной геоциркуляционной системы опреде- ляется совокупностью физических и технико-экономических показателей, Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 150 включающих капиталоемкость, обусловленную необходимостью дополни- тельного бурения нагнетательных скважин, параметры приемистости сква- жин и их изменение во времени, дополнительные затраты электроэнергии на закачку подземных вод под избыточным давлением. Кроме того, постоянная циркуляция охлаждаемой воды приводит к постепенному истощению тепло- вого потенциала водоносного горизонта. Поэтому применение данной техно- логии обязательно должно обосновываться соответствующими технико-эко- номическими оценками термодинамических и геолого-гидрогеологических условий конкретного района, наличия потребителей и экономических огра- ничений. Выполнение такой оценки в первую очередь связано с определением за- трат на создание и эксплуатацию ГЦС, зависящих от глубины залегания во- доносного коллектора и условно подразделяющихся на три основных состав- ляющих: 1) бурение скважин, 2) промышленное оборудование, 3) электроэнергия, обеспечивающая работу насосов. Стоимость бурения глубоких скважин в Украине в зависимости от слож- ности горно-геологических условий на данный момент, может быть оценена в диапазоне 200 – 300 € (евро) за один погонный метр [6]. Затраты на про- мышленное оборудование (насосы, трубы, аккумулирующие баки), как пра- вило, не превышают 20 – 25 % общей стоимости скважин, а мощность, по- требляемая электроцентробежными насосами для отбора и закачки подзем- ных вод, можно определить из выражения [7] , пнас з з пнас з ηη QР κ ηη gQHρ κN ж  (1) где зκ – коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от двигателя насоса; g – ускорение свободного падения; Q – дебит скважины; H – глубина залегания пласта; жρ , Рз – плотность и давление закачки жидкости; насη , пη – КПД насоса и передачи теплоносителя. Применение электроцентробежных насосов (General Electric, Centrilift, Но- вомет и др.) в циркуляционных системах обусловлено их безотказной работой в агрессивных жидкостях с растворенными солями, газами и механическими примесями. Кроме того, насосы данного типа характеризуются простотой наземного оборудования, продолжительным межремонтным периодом экс- плуатации (2 – 3 года), большой глубиной отбора (до 4 км) и значительным дебитом (до 5000 м3/сут). Принимая среднюю стоимость бурения 1 п. м скважины равной 235 € и оборудования 20 % от его общей стоимости, определим начальные затраты С на создание ГЦС: при глубине залегания водоносного горизонта 1 км – 0,564 млн € и 2 км – 1,128 млн €. Текущие затраты на работу системы обу- словлены электроэнергией, потребляемой двумя насосами для циркуляции воды. Данные о ее расходе Wэ и стоимости Sэ рассчитаны по формуле (1) и приведены в табл. 2. При выполнении расчетов принимались действующие в http://neftegaz.ru/profile/view/novometik http://neftegaz.ru/profile/view/novometik Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 151 настоящее время в Украине тарифы на электричество для предприятий (сто- имость 100 кВт · ч ≈ 174 грн ≈ 5,8 €) и следующие значения показателей: зκ = 1,2; жρ = 1000 кг/м3; Рз = 1,5 Рпл; gHρР жпл  ; пη = 0,9; насη = 0,6. Таблица 2. Расход и стоимость электроэнергии, потребляемой насосами для движения воды в ГЦС евро/сут,S ч/суткВт 10 ,эW э 4  H = 1 км H = 2 км Q, м3/сут Q, м3/сут 100 500 1000 100 500 1000 75 130, 380 660, 760 311, 150 260, 760 311, 1520 622, Прибыль Р, получаемая от работы ГЦС, может быть определена как раз- ница между стоимостью вырабатываемой тепловой Sт и потребляемой элек- трической Sэ энергией. При этом действующий в Украине тариф на тепловую энергию принимается равным 1 Гкал ≈ 1416 грн ≈ 47,2 €, а теплопроизводи- тельность системы вычисляется по формуле [5] ),( отризвлв ТТQСG  (2) где Св, Тизвл, Тотр – соответственно объемная теплоемкость подземных вод (4,2 МДж/м3·°С) и их средняя температура до и после использования. Неопределенность при расчёте по формуле (2) связана с параметром Тотр, для нахождения которого необходимо решение оптимизационной задачи. С одной стороны, снижение температуры циркулирующей воды на дневной по- верхности приводит к повышению ее плотности, росту гидростатического давления в нагнетательной скважине (эффект термопресса) и значительному увеличению коэффициента извлечения тепловой энергии. С другой стороны, температура закачиваемой воды не должна нарушить первоначальные термо- динамические условия вблизи забоя добывающей скважины и тем самым уменьшить теплопроизводительность системы. Поэтому для определения этого параметра необходимо решить систему уравнений подземной термо- гидродинамики, что уже было выполнено автором в работе [8]. На рис. 2 приведены рассчитанные ранее изменения температуры воды, от- бираемой из добывающей скважины в период работы ГЦС. Анализ графиков показывает значительное уменьшение этого параметра с течением времени. Это свидетельствует о преобладании процесса остывания водоносного гори- зонта в результате фильтрации отработанных вод над его нагревом геотер- мальным потоком, что характерно для всех глубин и дебитов скважин. Из по- лученных результатов также следует, что в различных горно-геологических и Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 152 технологических условиях эксплуатации ГЦС ее максимальная производитель- ность достигается при минимальных значениях температуры возвратной воды. Вместе с тем, в расчетах условного теплоэнергетического потенциала термаль- ных вод значение этого показателя не рекомендуется принимать ниже 20 °С, ввиду технологической проблематичности использования воды с более низкой температурой для теплоснабжения зданий. Рисунок 2. Изменение температуры воды, добываемой ГЦС при Тотр = 15 °С, Q = 1000 м3/сут и Н: 1 – 3 – соответственно 2, 1,5 и 1 км Однако, получившие в последнее время широкое распространение тепло- вые насосы позволяют существенно расширить температурный диапазон ис- пользования холодных вод с температурой 4 – 7 °С, применяемых в качестве низкопотенциального источника энергии [9]. Поэтому в последующих расче- тах температуру возвратных вод (Тотр) будем принимать равной 5 °С как ми- нимум, необходимый для нормальной работы тепловых насосов. Более зна- чительное понижение температуры может привести к заморозке скважин и прекращению работы системы. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ На рис. 3, 4 приведены построенные с помощью формулы (2) и программ Mathcad и Surfer карты прогнозной теплопроизводительности геоциркуляци- онных систем на территории Украины. Расчеты были выполнены при мини- мально и максимально возможных дебитах скважин (Qmin и Qmax) для водо- носных горизонтов в диапазоне их залегания от Hmin до Hmax (табл. 1). Расчёт- ная глубина Н принималась как среднее значение в данном диапазоне, а тем- пература подземных вод до использования Тизвл задавалась равной ее вели- чине после года эксплуатации ГЦС [9]. Анализ полученных данных показывает, что максимальная теплопроизво- дительность ГЦС (20 – 30 Гкал/сут при Hmin, Qmin и 120 – 180 Гкал/сут при Hmax, Qmax) достигается в районе степного Крыма и Причерноморья, что свя- зано с высокой водообильностью геологических структур и большими значе- Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 153 ниями геотермического градиента. В районах с менее благоприятными тер- могидродинамическими условиями (Украинский кристаллический щит) теп- лопроизводительность ГЦС ниже в несколько раз. Рисунок 3. Карта прогнозной теплопроизводительности ГЦС на территории Украины (Hmin, Qmin) Рисунок 4. Карта прогнозной теплопроизводительности ГЦС на территории Украины (Hmax, Qmax) Анализ прогнозируемого изменения прибыли, получаемой от работы ГЦС, (рис. 5) показывает ее существенное снижение со временем, что связано с уменьшением теплового ресурса водоносного горизонта и постепенным Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 154 охлаждением циркулирующих вод. Наряду с этим, потенциальная прибыль увеличивается почти в 20 раз с увеличением глубины залегания водоносного горизонта на 100 % и дебита скважины в 10 раз. Рисунок 5. Прибыль, получаемая от работы ГЦС при Н = 1 км (а) и Н = 2 км (б); 1 – 3 – соответственно при Q = 1000, 500 и 100 м3/сут Комплексная оценка рентабельности создания и эксплуатации ГЦС в раз- личных условиях может быть выполнена с помощью принятого в междуна- родной практике для анализа инвестиционных проектов критерия чистой дис- контированной стоимости (NPV). Данный критерий показывает величину де- нежных средств (чистой прибыли), которую инвестор ожидает получить от проекта, после того, как прибыль окупит его начальные и текущие затраты, связанные с осуществлением проекта. NPV определяется из следующего вы- ражения [10] 26 26 2 21 )1( ......... )1()1( R Р R Р R Р CNPV       (3) где Р1 – ежегодная прибыль от работы системы (Р = Sт – Sэ); R – норма дис- конта. Уравнение (3) дает описание чистой прибыли инвестора от инвестиций, направленных на создание ГЦС. При этом норма дисконта рассматривается как издержки на основной капитал и зависит от альтернативных способов его вложения. Например, вместо создания системы инвестор может вложить деньги в другой проект, положить в банк под процент или купить облигации. Поэтому, если дисконтированная стоимость отрицательна – проект убыточен, если равна нулю, то доход от капиталовложений будет равен временным из- держкам, но если ее значения положительны (NPV > 0), ожидаемый доход превысит издержки и капиталовложение будет прибыльно. При расчете чистой дисконтированной стоимости ГЦС по формуле (3) норма дисконта принималась согласно действующей в настоящее время в украинских банках средней депозитной ставки для валюты. Построенные карты (рис. 6, 7) подтверждают рентабельность создания данных систем на Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 155 участках с повышенными значениями геотермического градиента с учетом альтернативных вариантов капиталовложения. Рисунок 6. Распределение показателя дисконтированной стоимости ГЦС на территории Украины, полученное при Hmin и Qmin Рисунок 7. Распределение показателя дисконтированной стоимости ГЦС на территории Украины полученное при Hmax и Qmax 4. ОБСУЖДЕНИЕ В настоящее время в Украине назрела необходимость активной разработки альтернативных источников энергии, в частности, геотермальных, запасы ко- торых значительно превышают ресурсы традиционных энергоносителей. Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 156 Ввиду высокой минерализации подземных вод в геологических структурах с повышенными значениями теплового потока в земной коре (Закарпатский прогиб, Волыно-Подольская плита, Днепровско-Донецкая и Причерномор- ская впадина), их разработка должна производиться по экологически безопас- ной технологии. В этом аспекте предлагаемое использование геоциркуляци- онных систем (ГЦС), включающее откачку термальных вод на поверхность, отбор тепла из них и обратное нагнетание вод в пласт, решает проблему их утилизации и существенно увеличивает долю извлечения геотермальной энергии. Даже на территориях со средними величинами теплового потока (Донец- кий бассейн) при создании ГЦС на глубине (H ≈ 1 км) и циркуляции воды в объеме (Q ≈ 200 м3/сут) значения NPV положительны (0,5 – 1 млн €), и инве- стор может вкладывать деньги в этот проект. С увеличением глубины залега- ния пласта-коллектора (H ≈ 2 км) и количества циркулирующей воды до зна- чений 1500 м3/сут NPV ГЦС значительно возрастает (1 – 17 млн €). Данная тенденция наблюдается также при расположении системы на участках с большими значениями теплового потока (Степной Крым, Закарпа- тье). Полученные результаты позволяют давать предварительный прогноз рентабельности создания ГЦС в различных геолого-гидрогеологических и технологических условиях и могут быть использованы при составлении ин- вестиционных проектов, бизнес-планов и других предпроектных обоснова- ний, направленных на разработку геотермальных ресурсов. 5. ВЫВОДЫ Построенные по результатам выполненных расчетов карты прогнозной теплопроизводительности ГЦС на территории Украины позволяют выделить наиболее перспективные в техническом отношении участки расположения тепловых станций. Максимальные оценки производительность ГЦС полу- чены для района степного Крыма и Причерноморья (20 – 30 Гкал/сут при глу- бине залегания водоносного горизонта 1,5 км и дебите 500 м3/сут и 120 – 180 Гкал/сут при глубине горизонта 3 км и дебите 1500 м3/сут) Экономическая оценка эффективности ГЦС выполнена путем определения затрат на ее создание и эксплуатацию, а также доходов, получаемых от реа- лизации вырабатываемой ей тепловой энергии. Рассчитанная прибыль от ра- боты системы линейно зависит от дебита скважин и снижается приблизи- тельно в 3 раза с уменьшением геотермического градиента в два раза. Приня- тый в качестве комплексного международного критерия рентабельности ГЦС показатель чистой дисконтированной стоимости NPV принимает положи- тельные значения (0,5 – 1 млн €) даже на участках, характеризующихся сред- ними значениями теплового потока (q ≈ 60 мВт/м2) и дебитами скважин (Q ≈ 200 м3/сут), а также существенно увеличивается (1 – 17 млн €) с глубиной за- легания пласта-коллектора до 2 км. Полученные результаты позволяют сде- лать вывод о возможности вложения капитала в создание геоциркуляционных систем в геолого-гидрогеологических условиях Украины и могут быть ис- пользованы при составлении инвестиционных проектов геотермального теп- лоснабжения. Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 157 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гордиенко, В.В., Гордиенко, И.В., & Завгородняя, О.В. (2002). Тепловое поле территории Украины. К.: Знание Украины, 170 с. 2. Мхитарян, Н.М., & Мачулин, В.Ф. (2006). Проблемы развития энергетики Украины. Возобновляемая и нетрадиционная энергетика. Наука та інновації, (2), 63– 75. 3. Кутас, Р.И. (2014). Тепловой поток и геотермические модели земной коры Украинских Карпат. Геофизический журнал, (6), 3–27. 4. Долінський, А.А., & Ободович, О.М. (2016). Світовий досвід використання гео- термальної енергії та перспективи її розвитку в Україні. Вісник НАН України, (3), 62– 69. 5. Алсахов, А.Б. (2012). Возобновляемая энергетика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 256 с. 6. Филатов, С., & Захарченко, Н. (2012). Стоимость скважин глубокого бурения: развитие методического инструмента. Нефтегазовая вертикаль, (5), 54–58. 7. Ишлинский, А.Ю. (1989). Политехнический словарь. М.: Советская энциклопе- дия, 656 с. 8. Sadovenko, I., Rudakov, D., & Inkin O. (2017). The Prospects of Thermal Water Exploration in Ukraine. Advanced Engineering Forum, Vol. 25, 28–34. 9. Fleuchaus, Р., & Blum, Р. (2017). Damage event analysis of vertical ground source heat pump systems in Germany. Geotherm Energy, (5), 1–15. 10. Гидулянов, В.И., & Хлопотов, А.Б. (2003). Анализ методов оценки капиталь- ных вложений. М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 78 с. REFERENCES 1. Gordienko, V.V., Gordienko, I.V., & Zavgorodnyaya, O.V. (2002). Teplovoe pole territorii Ukrainy. K.: Znanie Ukrainy, 170 s. 2. Mkhitaryan, N.M., & Machulin, V.F. (2006). Problemy razvitiya energetiki Ukrainy. Vozobnovlyaemaya i netraditsionnaya energetika. Nauka ta innovacii', (2), 63–75. 3. Kutas, R.I. (2014). Teplovoy potok i geotermicheskie modeli zemnoy kory Ukrain- skikh Karpat. Geofizicheskiy zhurnal, (6), 3–27. 4. Dolins'kyj, A.A., & Obodovych, O.M. (2016). Svitovyj dosvid vykorystannja geoter- mal'noi' energii' ta perspektyvy i'i' rozvytku v Ukrai'ni. Visnyk NAN Ukrai'ny, (3), 62–69. 5. Alsakhov, A.B. (2012). Vozobnovlyaemaya energetika. M.: FIZMATLIT, 256 s. 6. Filatov, S., & Zakharchenko, N. (2012). Stoimost' skvazhin glubokogo bureniya: razvitie metodicheskogo instrumenta. Neftegazovaya vertikal', (5), 54–58. 7. Ishlinskiy, A.Yu. (1989). Politekhnicheskiy slovar'. M.: Sovetskaya entsiklopediya, 656 s. 8. Sadovenko, I., Rudakov, D., & Inkin O. (2017). The Prospects of Thermal Water Exploration in Ukraine. Advanced Engineering Forum, Vol. 25, 28–34. 9. Fleuchaus, Р., & Blum, Р. (2017). Damage event analysis of vertical ground source heat pump systems in Germany. Geotherm Energy, (5), 1–15. 10. Gidulyanov, V.I., & Khlopotov, A.B. (2003). Analiz metodov otsenki kapital'nykh vlozheniy. M.: Izd-vo Mosk. gos. un-ta, 78 s. Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 158 ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Мета роботи. Районування та картування території України за потенційною продуктивністю геотермальних систем теплопостачання будівель та рентабе- льності їх експлуатації на основі сучасних інвестиційних критеріїв. Методика. Виконані економічні та термогідродинамічні розрахунки за оцін- кою потенційної теплопродуктивності та чистої дисконтної вартості (NPV) систем теплопостачання будинків з урахуванням геологічних особливостей території України. Оцінка ефективності використання геоциркуляційних си- стем (ГЦС) виконана з урахуванням відкачування води на земну поверхню, вилучення тепла та повторного закачування охолодженої води в резервуар. Результати. Визначені параметри водоносних горизонтів розташованих у ме- жах Закарпатського прогину, Волино-Подільської плити, Дніпровсько-Доне- цької та Причорноморської западини які характеризуються підвищеним зна- ченнями геотермального градієнта та є перспективними для освоєння терма- льних вод. Зокрема, виконана оцінка діапазону глибин відбору та очікуваного дебіту термальних вод. Ці данні використовувались для створення карт поте- нційної теплопродуктивності ГЦС на території України. Наукова новизна. На основі встановлення теплопродуктивності ГЦС була виконана економічна оцінка рентабельності їх експлуатації з використанням параметру NPV в якості основного критерію. Використання ГЦС дозволяє збі- льшити роль геотермальних ресурсів в енергетичному балансі деяких регіо- нів, оскільки ці системи дозволяють відбирати тепло від нагрітих водоносних гірських порід. Практична значимість. Створені карти дозволяють визначити найбільш пе- рспективні території для інвесторів з точки зору геотехнічної та гідрогеологі- чної можливості розташування геотермальних систем. Максимальна ефекти- вність ГЦС очікується у північному Криму та Причорноморському регіоні (20 – 30 Гкал/добу на глибині 1,5 км при дебіті 500 м3/добу та 120 – 180 Гкал/добу на глибині 3 км при дебіті 1500 м3/добу). Параметр NPV дося- гає позитивних значень 0,5 – 1 млн євро навіть у районах із середнім тепло- вим потоком (≈ 60 мВт/м2) та дебітом свердловини 200 м3/добу. Ключові слова: термальні води, геоциркуляційна система, теплопродуктив- ність, чиста дисконтна вартість, районування ABSTRACT (IN RUSSIAN) Цель. Районирование и картирование территории Украины по потенциаль- ной производительности геотермальных систем теплоснабжения зданий и рентабельности их эксплуатации на основе современных инвестиционных критериев. Методика. Выполнены экономические и термогидродинамические расчеты по оценке потенциальной теплопродуктивности и чистой дисконтированной стоимости (NPV) систем теплоснабжения зданий с учетом геологических осо- бенностей территории Украины. Оценка эффективности использования гео- циркуляционных систем (ГЦС) выполнена с учетом откачки воды на земную Физико-технические проблемы горного производства 2019, вып. 21 159 поверхность, извлечения тепла и повторной закачки охлажденной воды в ре- зервуар. Результаты. Определены параметры водоносных горизонтов расположен- ных в пределах Закарпатского прогиба, Волыно-Подольской плиты, Днепров- ско-Донецкой и Причерноморской впадины которые характеризуются повы- шенными значениями геотермального градиента и являются перспективными для освоения термальных вод. В частности, выполнена оценка диапазона глу- бин отбора и ожидаемого дебита термальных вод. Эти данные использова- лись для создания карт потенциальной теплопродуктивности ГЦС на терри- тории Украины. Научная новизна. На основе установления тепловой мощности ГЦС была выполнена экономическая оценка рентабельности их эксплуатации с исполь- зованием параметра NPV в качестве основного критерия. Использование ГЦС позволяет увеличить роль геотермальных ресурсов в энергетическом балансе некоторых регионов, поскольку эти системы позволяют отбирать тепло от нагретых водоносных горных пород. Практическая значимость. Созданные карты позволяют определить наибо- лее перспективные территории для инвесторов с точки зрения геотехниче- ской и гидрогеологической возможности расположения геотермальных си- стем. Максимальная эффективность ГЦС ожидается в северном Крыму и Причерноморском регионе (20 – 30 Гкал/сут на глубине 1,5 км при дебите 500 м3/сут и 120 – 180 Гкал/сут на глубине 3 км при дебите 1500 м3/сут). Па- раметр NPV достигает положительных значений 0,5 – 1 млн евро даже в рай- онах со средним тепловым потоком (≈ 60 мВт/м2) и дебитом скважины 200 м3/сут. Ключевые слова: термальные воды, геоциркуляционная система, теплопро- изводительность, чистая дисконтированная стоимость, районирование ABOUT AUTHORS Inkin Oleksandr, Doctor of Technical Science, Professor of Department of Hydrogeol- ogy and Engineering geology Dnipro University of Technology, 19 Dmytra Yavornytskoho Ave., Dnipro, Ukraine, 49005. Institute for Physics of the Mining Processes of National Academy of Sciences of Ukraine, 2A Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600. E- mail: inkin@ua.fm.

Обоснование геотехнологических и экономических параметров разработки геотермальных ресурсов Украины

Репозитарії

Схожі ресурси