На смену ископаемому топливу (углю, нефти и газу) сегодня приходит возобновляемая энергетика. Активно развивается, например, геотермальная — она использует тепло земных недр для получения электричества. Однако высокотемпературные скважины (более 250 °C) могут эксплуатироваться только с помощью струйных насосов, КПД которых обычно не превышает 20–30%. Это затрудняет широкое использование таких ресурсов и снижает их экономическую привлекательность. Изобретение пермских ученых позволило существенно повысить эффективность добычи геотермальной энергии.
Основой мировой энергетики остаются ископаемые виды топлива — уголь, нефть и природный газ. Именно на них приходится основная часть выработки электроэнергии и тепла. Однако при их сгорании в атмосферу выделяется огромное количество парниковых газов, которые постепенно загрязняют окружающую среду. По последним данным, глобальные выбросы от сжигания ископаемого топлива в 2025 году достигли рекордного уровня — 38,1 млрд тонн.
Именно поэтому разные страны все активнее переходят на возобновляемые источники энергии. В первую очередь это касается солнечных и ветровых электростанций, которые уже давно работают во многих регионах, и их число продолжает расти.
Среди всех направлений возобновляемой энергетики особое место занимает геотермальная, которая использует естественное тепло, содержащееся в земных недрах. Ее объем в мире стабильно растет: по прогнозам, к 2035 году он превысит 16 млрд долларов. Геотермальные станции работают уже в десятках стран по всему миру — в Исландии, Норвегии, Новой Зеландии, а также в России.
Добыча геотермальной энергии устроена следующим образом. Сначала геологи выбирают участки, где рядом с поверхностью залегают горячие породы — например, в районах с вулканической активностью. Потом на глубине, где температура земли достаточно высока, бурятся скважины, через которые наверх поднимается горячая вода. Ее тепло преобразуют в электричество и используют для питания домов, предприятий и городов.
В отличие от ископаемого топлива, ресурсы геотермальной энергетики неисчерпаемы. Всю поднятую на поверхность горячую воду после использования закачивают обратно в землю, где она снова нагревается и повторно подается на электростанцию. Это делает геотермальную энергетику не только возобновляемой, но и практически безотходной.
Однако у струйных насосов есть свои недостатки: до сих пор они работают очень неэффективно. КПД серийных насосов обычно не превышает 15–20%. Это напрямую ведет к удорожанию вырабатываемой электроэнергии и тепла и снижает экономическую привлекательность геотермальных проектов. Ранее различные ученые предпринимали попытки улучшить характеристики струйных насосов, но существенного прогресса достигнуто не было.
Ученые Пермского Политеха оптимизировали конструкцию водяного струйного насоса, что впервые в мире позволило повысить его эффективность до 46,4%. Это значит, что он будет тратить почти вдвое меньше энергии на перекачку воды по сравнению с серийными аналогами. Разработанная конструкция упростит добычу геотермальной энергии, сделает ее более эффективной и доступной.
Сегодня струйный насос работает следующим образом: горячая вода из скважины засасывается в камеру смешения, а оттуда попадает в специальную трубу и по ней поднимается на поверхность земли. Проблема в том, что вся жидкость поступает внутрь под напором, сильно бьется о стенки, закручивается и создает завихрения. Из-за этого вода теряет скорость, а значит, много энергии уходит на то, чтобы поднять ее наверх. Именно поэтому особое внимание инженеры уделяют оптимизации камеры смешения.
Ученые выделили три главных параметра, которые больше всего могут повлиять на эффективность: радиус камеры, ее длину и расстояние от нее до сопла (отверстия, через которое вода попадает внутрь). Чтобы найти лучшее сочетание, на основе реальной серийной конструкции они построили трехмерную модель, в которой меняли размеры.
«Мы подбирали разные варианты геометрии и установили условия, приближенные к реальной добыче: задавали давление на входе и на выходе конструкции, а также температуру горячей воды. В процессе моделирования наблюдали, как при этом меняется скорость жидкости внутри насоса. Это позволило понять, при каких параметрах возникает меньше всего завихрений воды и потерь энергии», — рассказал Сергей Пещеренко, заведующий кафедрой «Физические и технологические проблемы нефтедобычи» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
В результате ученые нашли лучшее сочетание параметров, которое показало энергоэффективность 46,4%. Это заметно выше, чем у серийных водяных насосов, у которых она обычно не превышает 20–30%. При этом они выяснили, что сильнее всего на производительность влияет именно радиус камеры смешения, а длина и расстояние от сопла оказались менее значимыми. Расчеты подтвердили испытаниями на модельных образцах: экспериментальные данные полностью совпали с результатами компьютерного моделирования.
Новая конструкция водяного струйного насоса открывает возможность для экономически эффективной добычи высокотемпературных геотермальных жидкостей с глубины более 1–2 километров, где традиционное оборудование выходит из строя. Это может поспособствовать развитию геотермальной энергетики — возобновляемого источника с круглосуточной доступностью и минимальным выбросом парниковых газов.
Статья опубликована в сборнике «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика».
