Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания в биосфере Земли. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Несмотря на то что современная энергетика в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии (около 80 % в мировом энергетическом балансе составляют нефть, газ и каменный уголь), интерес к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) неуклонно растет. Главными аргументами для использования ВИЭ являются высокая цена традиционного топлива, энергетическая безопасность для стран-импортеров нефти и газа и проблемы охраны окружающей среды.

Выступая на выездном заседании Кабинета Министров 12.06.2009 г., Президент Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедов поставил задачу перед учеными о развитии возобновляемых источников энергетики, в частности, солнечной, ветровой, геотермальной энергии, получения биогаза и внедрение экологически чистых и энергосберегающих технологий [1].

Геотермальные ресурсы занимают одно из первых мест по своему суммарному теплоэнергетическому потенциалу и концентрации в пределах перспективных регионов. Вместе с тем достоверная оценка объёмов вовлечения геотермальных ресурсов в топливно-энергетический баланс представляет собой достаточно сложную научно-техническую проблему. Ее решение сопряжено с необходимостью учета комплекса природных (геологических, гидрогеологических, геотермических и др.), технических, технологических, экологических и, наконец, экономических условий, параметров и показателей. Тем не менее, к настоящему времени накоплен определенный отечественный и зарубежный опыт, позволяющий достаточно обоснованно подойти к оценке земных ресурсов геотермальной энергии, возможных и экономически целесообразных объёмов их использования в нефтегазовой отрасли, сельском хозяйстве в ряде регионов Туркменистана и других отраслях [3, 4, 7, 8–12].

В научной статье приведены и рассмотрены: геоинформационные системы – электронная картография; краткий обзор средств разработки ГИС-технологии; мировой опыт использования ГИС-технологии; концепция построения системы трехмерного геоинформационного моделирования; ГИС-геотермальные ресурсы Туркменистана; методы оценки ресурсов и запасов геотермальной энергии; прогнозные ресурсы термальных вод и гидрогеотермальной энергии Туркменистана; технико-экономическая оценка ГИС-технологии геотермального теплоснабжения в Туркменистане; ожидаемые результаты для теплоснабжения тепличных хозяйств в Туркменистане.

Целью и задачей статьи является создание основ разработки геоинформационной системы, технологий на основе ВИЭ и обеспечение информационного, программного геоинформационного моделирования для решения ряда задач по оценке пространственного распределения земных возобновляемых энергоресурсов, в частности, распределения геотермальных энергетических ресурсов на территории Туркменистана.

Научная новизна. Предложены принципы построения новой ГИС-технологии, и создан основы для решения задач комплексной оценки возобновляемых экоэнергоресурсов потенциала Туркменистана, которая имеет территориальную привязку. Впервые с применением геоинформационных технологий построена энергетическая карта потенциала и технически рассчитана доступность геотермальным энергетическим ресурсам для энергоснабжения и для реализации государственных программ развития тепличных хозяйств в Туркменистане на основе возобновляемых источников энергетики.

Основы по геотермальной энергетике в рамках разработки ГИС

Информационный обзор работ по ГИС. Геоинформационные системы (ГИС) являются классом информационных систем, имеющим свои особенности с учетом закономерностей геофизики, геоинформатики и методов. Геоинформационные технологии предназначены для повышения эффективности процессов управления, хранения и представления информации, обработки и поддержки принятия решений [5, 6, 22].

Полное, на высокопрофессиональном научном уровне изложение всех основ создания и использования ГИС дано по геодезической и математической основе в работе [4]; по вопросам создания базовых карт и цифровых моделей, решения на их основе разнообразных задач и выполнения исследования по картам в работах [3–5, 7–13] по вопросам места ГИС среди технических систем, системного анализа, организации данных в ГИС, применения баз данных в ГИС в работах [3–6]; по вопросам многоаспектного применения ГИС, по инструментальным системам, элементам топологии данных в ГИС, качества информации, цифрового моделирования в работах [6, 7]; по вопросам интеграции данных ГИС и систем обработки данных дистанционного зондирования в работах [5, 6, 22]; по вопросам стандартизации и тестирования в работах [5–12] по вопросам защиты информации в ГИС в работах [6, 8–12, 15, 16]. ГИС имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при изучении этих систем.

Основными внутренними данными ГИС являются базовые цифровые геофизические карты и цифровые модели, теоретической основой, которых являются положения и методы создания и использования их геодезической и математической основы, все элементы которых построены в единой геодезической системе координат, проекции, размерности и системе мер. При создании и использовании карт, являющихся базой построения данных ГИС, рассматривают и используют геодезическую систему координат и плоские прямоугольные координаты картографических проекций исходных материалов, геодезические координаты и проекции создаваемых базовых карт, на основе которых осуществляется построение цифровых моделей в ГИС и практически реализуются все задачи ГИС. Все основные положения создания и использования геотермальных вод и составление электронных карт ГИС кратко даны в статьях [5, 6, 22].

Решаемые задачи. ГИС общего назначения обычно выполняет несколько задач: ввод данных; манипулирование и управление ими; информационный запрос и его анализ; визуализация данных.

Краткий обзор средств разработки ГИС-технологии. Универсальное и наиболее распространенное средство для создания ГИС ARC/INFO- Arcview служат для обеспечения компьютерного картографирования и оперативного принятия решений [4–6].

Полнофункциональная оболочка географических информационных систем среднего класса ATLAS GIS содержит все обычные средства ввода, редактирования в печати, рисования карт, развитые презентационные средства (полное управление цветами и штриховками, создание и редактирование символов, многочисленные вставки, тематическое картографирование, бизнес-графику) [4–6, 15].

При разработке ГИС-приложений среда разработки Maplnfo Professional обеспечивает доступ к базам данных Oracle8i, хранилищам данных на сервере и управление ими, создание тематических карт, создание и запись SQL-запросов. Кроме того, эта среда разработки поддерживает растровые форматы, включая BMP, JPG, TIFF, MrSID, имеет универсальный преобразователь для форматов AutoDesk, ESRI и Intergraph. Начиная с версии 6, обеспечивается поддержка Интернета и трехмерных изображений, а также усовершенствованы средства геокодирования информации [4–6, 15, 16].

Еще одна популярная среда разработки AutoCAD Map обладает всеми инструментами программы AutoCAD 2000, а также специализированными возможностями для создания, отслеживания и производства карт и географических данных. Существует целый комплекс ГИС-систем с программным обеспечением: ГИС ИнГЕО – система, Система TopoL, MapXtreme и многие другие [5–16, 22].

Недостатком существующих продуктов компании, является наличие постоянно обновляемой базы данных, увеличение емкости памяти, профессионализм специалиста, а также возможность пополнения ее собственными данными пользователя; инструменты анализа данных для получения на их основе новой «производной» информации, представление результатов в виде диаграмм, графиков, карт и других визуальных объектов. Однако отсутствие информации о методиках проведения расчетов, а также оценок точности прогноза является весьма критичным, и недостаточно конкретных результатов по использованию ВИЭ установок, так как каждая возобновляемая энергетическая установка имеет свою особенность, назначение, применение и энергетические ресурсы.

Наглядным примером для дальнейшего использования и развития ГИС-технологии в геотермальной энергетике является опыт Российских ученных по картографированию на основе ГИС-технологий пространственного распределения плотности геотермальных ресурсов в Дагестане [6]. При решении рассматривали следующие крупные задачи и разработали: основу построения специализированной системы трехмерного геоинформационного моделирования (СТГМ); систему организации данных в СТГМ; функциональные модули и модули визуализации данных в СТГМ, составили алгоритмическое и программное обеспечение СТГМ, необходимо обеспечить пространственное распределение плотности геотермальных ресурсов Туркменистана. Принцип нового построения программно-алгоритмической реализуется специализированной системой трехмерного геоинформационного моделирования [6].

Общая ГИС-характеристика рельефа и геотермальные ресурсы Туркменистана

Рельеф обширной территории Туркменистана разнообразен. Образование основных форм рельефа, прежде всего, связано с историей геологического развития данной местности. Формы рельефа в дальнейшем были осложнены влиянием физико-географических факторов.

По характеру рельефа Туркменистан делится на две неравные части. Примерно 80 процентов его территории составляет равнина, а 20 процентов – горы и возвышенности.

По литологическому составу и разнообразию ландшафтов пустыни разделяются на песчаные, песчано-галечниковые, щебнисто-гипсированные, каменистые, лёссовидные, глинисто-такырные и солончаковые пустыни. Для каждой из них характерен собственный почвенный и растительный покров [2, 12–14]. Изучив ГИС-строение рельефа, геологическое отложение, тектонические характеристики и природные ресурсы Туркменистана, немаловажный интерес вызывают возможности использования геотермальных вод, как тепловой источник энергий страны.

Особенности геотермальной энергии в Туркменистане. Классификация гидрогеотермальных ресурсов, которые представляют собой подземные воды в различном фазовом состоянии (горячая вода, пар и вода, пар), четко увязывается со сложившимися в гидрогеологии классификациями ресурсов и запасов подземных вод [4, 8–18].

При эксплуатации термальных вод по традиционной технологии из недр извлекается: при фонтанной эксплуатации – (2–10)∙10^-2 %, при насосной – (7–56)∙10^-2 % запасов термальных вод. При геоциркуляционной технологии этот показатель достигает 20–30 %, т. е. на много порядков выше. Коэффициенты извлечения тепла из недр составляют (3–17)∙10^-3 % при фонтанной эксплуатации, (1–8)∙10^-2 % – при насосной, увеличиваясь до 5–13 % при применении геоциркуляционной технологии. Соответственно во много раз возрастают и прогнозные ресурсы термальных вод.

Следует также иметь в виду, что при применении традиционной технологии, в отличие от геоциркуляционной, задача экологически безопасного сброса «отработанного» теплоносителя должна решаться специально.

В целом, анализ опубликованных в отечественной и зарубежной литературе классификаций геотермальных ресурсов позволяет осуществить их сопоставление с Концепцией развития возобновляемой энергетики в Туркменистане [8–20], видами потенциала ВИЭ. Большой вклад внесли в изучение геотермальных ресурсов в Туркменистане ученые В.Ф. Борзасеков, А.В. Кудельский, Ф.А. Макаренко, В.И. Кононов, В.В. Колодий, Э.И. Богуславский, Т. Аширов, Я.А. Ходжакулиев, Х. Бабаев, С. Шабердыев и многие др. [4–9].

Оценка геотермальных ресурсов Туркменистана. Практическое значение геотермальных вод, определяется их прогнозными запасами и количеством в водах полезного тепла.

Оценка прогнозных запасов проводилась по общеизвестным формулам. При этом расчётный срок эксплуатации принимается равным 10⁴ суткам (27 лет). Понижение к концу расчётного срока эксплуатации принимается равным 100 м от поверхности земли. Коэффициент пьеозопроводности при отсутствии специальных его определений принимается равным 1∙10 м³ сутки.

Поисково-разведочным бурением на нефть и газ, минеральные и промышленные воды в ряде районов Туркменистана были вскрыты термальные воды, отвечающие вышеперечисленным общим кондиционным методикам и требованиям, на основании результатов построена схематическая геотермическая карта по глубине 1000 м Центрального и Восточного Туркменистана на рисунке приведены и оценены геотермальные ресурсы.

На территории Ахалского велаята (области) термоминальные воды обнаружены в Передовой зоне Копетдага: Берзенги, Бахарлы, Арчабил, Геокдепе, Арчман. В пределах Берзенгинской антиклинали с глубин до 1600 м из карбонатных отложений верхней юры и неокома получены воды с температурой 33–41 °С на изливе. Производительность скважин достигала 13–30 л/сек при избыточных давлениях от 0,4 до 1,0 мПа. Состав воды сульфатный кальциево-магниево-натриевый с минерализацией 2,9–3,9 г/л и концентрацией сероводорода 3–8 мг/л. Подсчитанные по промышленным категориям запасы термальных вод составляют 412,2 м³/сутки. Скважины глубиной до 2000 м могут вывести воды с температурой 50–60 °С на изливе.

Бахарлынское месторождение термальных вод характеризуется самоизливающими с глубин 1000–2000 м водами с температурой на устье скважины 35–49 °С и дебитами – 5–50 л/сек. Химический состав вод – хлоридно-сульфатный кальциево–натриевый с минерализацией до 4 г/л и концентрацией сероводорода до 55 мг/л. Бурением скважин глубиной до 3000 м можно вскрыть термальные воды с температурой на устье до 70–80 °С, которые найдут широкое применение и в теплоснабжении. По Копетдагской складчатой гидрогеологической области суммарная теплоэнергетическая производительность составляет 205627 Гкал/год или 29484 т у.т./год; с дебитом 18513 м³/сут.

Схематическая геотермическая карта по глубине 1000 м Центрального и Восточного Туркменистана

В Балканском велаяте термальные воды, отвечающие кондиционным требованиям, вскрыты скважинами в пределах территории Западного Копетдага (Терсакан, Каракала), Большого Балхана (Карачагыл) и Западно-Туркменской низменности.

На структуре Терсакан на глубинах 280–400 м вскрыты самоизливающие термальные воды, с температурой на устье 37–52 °С. Расход скважин на самоизливе 10–55 л/сек , с избыточными напорами до 0,5–0,6 мПа. По составу воды хлоридные натриевые, бессероводородные, с минерализацией 9–10 гл. Вблизи пос. Каракала (ущ. Порхай) с глубины 192 м выведены сероводородные воды с минерализацией 1–1,2 г/л и температурой на изливе 31 °С. Эти территории имеют перспективы вскрытия на доступных бурению глубинах (1500–2000 м) термальных вод с температурой на устье до 70–80 °С.

В пределах Большебалханской антиклинали (Карачагыл) из среднеюрских отложений с глубины 700 м выведены самоизливающиеся воды с дебитом скважины 5,0–7,3 л/сек, с температурой на устье до 45–46 °С и минерализацией 11–13 г/л.

Всего по Западно-Туркменскому гидрогеологическому бассейну прогнозируемые ресурсы подземных термальных вод составляют 13 644 667 Гкал/год или 7 752 044 т т.у./год; с дебитом 957207 м³/сут.

В Марыйском велаяте термальные воды, отвечающие общим кондициям, вскрыты только в сезон – палеоценовом водоносном комплексе на структурах Мургабской впадины и Кушкинской группы поднятий. Это низкопотенциальные воды с температурой на устье скважин 40–50 °С, имеющих дебиты 140–824 м³/сутки и минерализацию до 10–15 г/л. Статические уровни вскрытых водоносных горизонтов устанавливаются на отметках 60–100 м от устья скважин. По наиболее рентабельному Карабильскому участку подсчитанные прогнозные эксплуатационные запасы составляют дебит 14,0 тысяч м³/сутки, а тепловые ресурсы 46121,4 Гкал/год или 6588,7 т у.т.

В Лебапском велаяте низкопотенциальные термальные воды вскрыты на многих разведочных площадях в палеоценовых и верхнемеловых отложениях. Температура на устье самоизливающихся скважин достигала 35–53 °С, минерализация вод преимущественно составляет 10–35 г/л, а дебиты скважин варьируются в основном от 8 до 170 м³/сутки, в некоторых скважинах достигая 1520 м³/сутки.

Таблица 1

Экологический потенциал геотермальных ресурсов по изученным районам Туркменистана

С учётом кондиционных требований в пределах Лебапского велаята можно выделить участки низкопотенциальных термальных вод, наиболее перспективных для использования гидротермального тепла: Питнякский, Ачакский, Кирпичлинский, где прогнозируемые ресурсы подземных термальных вод составляют: 298935 Гкал/год или 42705,0 т у.т./год; с дебитом 120317,1 м³/сут.

В итоге анализ по изученности термальных вод в Туркменистане показывает, что суммарная теплоэнергетическая производительность составляет: 17,5 млн Гкал/год или 2,5 млн. т у.т./год; с дебитом 1,3 млн м³/сут.

Технико-экономическая оценка геотермального теплоснабжения. Величина экономического распределяемого эффекта от осуществления геотермального теплоснабжения в ряде отраслей колеблется от 0,7 до 0,5. При использовании геотермальной энергии в зависимости от технико-экономических показателей термоводозабора, величина меняется в пределах от 0,8 до 0,4. Расчет потребляемого теплового потенциала определяется по формуле

А = 1–0,8 t_вх – t_сб / t_вх .

В целом Туркменистан обладает огромными ресурсами термальных рассолов с температурами до 100 °С и залегающими на глубинах (до 5000 м), доступных при современной технологии бурения скважин и в будущем могут стать рентабельными.

Экологический потенциал геотермальной энергии характеризует сумму экономических потенциалов тепловой производительностью энергии [6–16, 18].

Ожидаемое сокращение выбросов различных вредных веществ в окружающую среду по изученным регионам в Туркменистане при использовании геотермальной энергии с теплопроизводительностью 17,5 млн Гкал/год при годовой выработке составит: экономия расхода топлива составит 2,5 млн т т.у. /год, сокращение выбросов: диоксида серы SO2 – 51962,21; оксида азота NOx – 27979,65; оксида углерода CO-3633,72; метана CH4 – 7630,81; твердых веществ – 5450,58; двуокиси углерода CO2 – 3997093,02 т/год [11–18].

Экологический потенциал от производительности тепловой энергии по областям Туркменистана приведен в табл. 1.

Возможности использования ГИС-технологий геотермальных вод для теплоснабжения теплиц Туркменистана. Продовольственной программой Туркменистана предусматривается значительное увеличение производства продуктов овощеводства. Для нормального обеспечения овощами населения по расчетам специалистов необходимо не менее 2 м площади на человека. Важную роль при решении Продовольственной программы играют разработка и создание сооружений, обеспечивающих производство овощей при минимальных затратах. В настоящее время энергоемкость выращиваемых овощей в теплицах даже в Средней Азии очень велика. Более 50 % всех эксплуатационных затрат приходится на их обогрев. На производство 1 кг овощей в теплицах затрачивается 10–13 кг у.т. Поэтому разработка дешевых пленочных теплиц, использующих энергию солнечных лучей и тепло термальных вод с целью экономии затрат на обогрев теплицы органическим топливом, является актуальной.

ГИС экономического эффекта. Для расчета экономического эффекта использования ГИС-технологий геотермальных вод при отоплении теплиц необходимо учитывать, что капитальные вложения возрастают в результате бурения скважин, строительства сборных и водоподающих сетей. Средняя стоимость скважины в 1984 году была 126 тыс. долл. США, а для обеспечения теплом комбината площадью 18 га необходимы 3–4 скважины, причем располагают их для получения максимального дебита на некотором расстоянии друг от друга. Следовательно, возрастает стоимость оборудования «куста» скважин, становится очевидной ошибка при оценке термальных вод как «дарового» тепла. Растут затраты на отопление теплиц при понижении температуры воды, например, при 55–60 °С стоимость типовой системы отопления увеличивается на 47 %. Повышает общие капитальные затраты также строительство сбросных и очистных сооружений [8–14].

Ожидаемые результаты для теплоснабжения тепличных хозяйств в Туркменистане. В настоящее время у нас в стране рентабельными для эксплуатации считаются месторождения термальных вод со следующими основными параметрами [3]: температура вод – не менее 35–40 °С; глубина залегания водоносных горизонтов – не более 3000 м; расходы скважин – не менее 5 л/с (430 м³/сут); минерализация вод – не более 35 г/л; водопроводимость пород водоносного комплекса – не менее 10–20 м²/сут. [8–14].

Перспектива использования гидротермальных ресурсов для отопления теплиц траншейного типа по расчетам на основе математической модели оцененным регионами характеризуется следующими цифрами для Атамыратской площади Лебапского велоята: самоизливаются с дебетами 0,7–80 м³/сутки, иногда 150 м³/сутки. Температура на устье 20–45 °С. Воды отличаются высокой минерализацией (100–540 г/л) и в основном хлоридным натриевым и кальциево-натриевым составом. Из солевых отложений гаурдакской свиты получен мощный фонтан высокотермального (95 °С на устье) хлоридного магниево-кальциевого рассола (540 г/л). Дебит фонтанирующей скважины достигал 1000 м³/сутки. Средняя декадная температура наружного воздуха равна t нар. – 3,94 °С, площадь (труб) поверхность отопительной системы F пл. обогр., – 31,32173 м², расход топлива на обогрев теплицы G – 5,956126 кг/час; тепловая мощность отопительной системы Q – 18182,27 ккал/час, Q за сезон – 39273696 ккал/сез., Q за месяц – 13091232 ккал/мес.; расход условного топлива эквивалентно, В по месяцам – 3,9 тыс. т у.т. мес., В за сезон – 11,7 тыс. т у.т. температура геотермальной воды от 20 95 °С в зависимости от глубины 500–2000 м результаты по другим изученным областям и районам аналогично приведены в табл. 2 [8–20]. В итоге на производство 1 кг овощей в теплицах затрачивается около 10–13 кг у.т. при этом расходуется органическое топливо, а это в свою очередь загрязняет окружающую среду. Результаты тепловых и электроэнергетических затрат на производство 1 кг овощей и их экологические потенциал загрязнения приведены в табл. 3.

В настоящее время недостаточен опыт эксплуатации тепличных комбинатов промышленного типа с теплоносителем – геотермальными водами в Туркменистане, тем более с использованием ГИС-технологий. Нет научно обоснованных и проверенных в производственных условиях инженерных разработок узлов и оборудования всех звеньев системы теплоснабжения. Применение же известных решений и серийно выпускаемого оборудования в больших масштабах проблематично с технической и экономической точек зрения. Для широкого освоения термальных вод в овощеводстве защищенного грунта нужны комплексные рекомендации, однако уже сейчас, до их разработки, необходимо использовать этот источник тепловой энергии для отопления теплиц.

Таблица 2

Результаты расчета тепловой мощности (Q за час, месяц, сезон), площадь поверхности отопительной системы (F), расход топлива на обогрев теплицы (G) за час