Geoterminen kiertojärjestelmä

Geoterminen kiertojärjestelmä (GCS) on järjestelmä, jolla otetaan lämpöenergiaa maapallon suolistosta, jotta sitä voidaan käyttää lämmön tai sähkön tuotantoon. Se eroaa perinteisistä geotermisistä järjestelmistä siinä, että käytetty jäähdytysneste pumpataan takaisin maan alle.

Terminologia

"Geotermisen kiertojärjestelmän" käsitteen esittelivät 1970-luvulla Neuvostoliiton kaivosten lämpöfyysikot O. A. Kremnev , Yu. D. Dyadkin ja A. N. Shcherban [1] .

Englanninkielisessä kirjallisuudessa termiä Enhanced (tai Engineered) geothermal system (EGS) käytetään viittaamaan geotermiseen kiertokulkujärjestelmiin, joihin on sovellettu keinotekoista säiliöstimulaatiota [1] . Tämän konseptin ehdottivat vuonna 1999 tutkijat M. Grassiani, Z. Krieger ja H. Legmann. [2] .

Kuinka se toimii

GCC:n toimintaperiaate on seuraava. Tuotantokaivon kautta jäähdytysneste (yleensä vesi, jossa on epäpuhtauksia) uutetaan hyödynnettävästä pohjavesisäiliöstä (maanalaisesta säiliöstä) pintaan. Seuraavaksi jäähdytysnesteen lämpö otetaan pois, minkä jälkeen se pumpataan pumpun avulla takaisin säiliöön ruiskutuskaivon kautta. [3]

Riippuen luonnonperäisten geotermisten vesien esiintymisestä säiliössä, GCC voi olla joko hydrotermistä tai petrotermistä . Jälkimmäisessä tapauksessa on välttämätöntä luoda keinotekoisesti kiveen kanavia jäähdytysnesteen kiertoa varten ja pumpata siihen vettä ulkoisesta lähteestä. [neljä]

Kivien läpäisevyyden lisäämiseksi ja lämmönpoistopinta-alan lisäämiseksi käytetään keinotekoisia stimulaatiomenetelmiä, joista yleisimpiä ovat massiivin hydraulinen murtaminen ja pohjareikävyöhykkeen happokäsittely. [5]

Tietoliikenteen korroosion ja hilseilyn estämiseksi käytetään kaksipiiristä mallia: geoterminen neste siirtää lämpöä lämmönvaihtimen kautta erillisessä piirissä kiertävään puhtaaseen veteen [6] . Tuloksena olevaa lämpöä voidaan käyttää sekä lämmitykseen että sähkön tuottamiseen höyryturbiinilla. GCS:ää kannattaa kuitenkin käyttää voimalaitoksena vain, jos jäähdytysnesteen lämpötila on vähintään 100 °C [7] .

Edut ja haitat

GCC:llä on merkittäviä etuja perinteisiin geotermisiin järjestelmiin verrattuna:

Niissä on kuitenkin myös joitain haittoja:

Muodosteen jäähdytys

Jäähdytetyn jäähdytysnesteen uudelleenruiskutuksen seurauksena säiliö jäähtyy väistämättä ajan myötä. Tästä johtuen aseman teho pienenee.

GCS-toiminnassa on 2 vaihetta:

  1. Ensimmäinen vaihe on, kun jäähdytysnesteen lämpötila maanalaisen säiliön ulostulossa on lähellä muodostuman alkulämpötilaa.
  2. Toinen vaihe alkaa, kun jäähdytysnesteen lämpötila laskee alkuperäistä muodostumislämpötilaa alhaisemmaksi ja päättyy, kun jäähdytysnesteen lämpötila keräimen ulostulossa lähestyy jäähdytysnesteen lämpötilaa keräimen sisääntulossa. Sen jälkeen järjestelmän jatkokäyttö on mahdotonta.

GCS:n käyttöaika voidaan laskea kaavalla:

missä  on aika, s,  on muodostuman lämpökapasiteetti, kJ/kg,  on lämpöveden tiheys kaivoissa, kg/m 3 ,  on muodostuman paksuus, m,  on injektio- ja tuotantokaivojen välinen etäisyys, m,  on muodostuman veden lämpökapasiteetti, kJ kg,  on kiertojärjestelmän virtausnopeus, kg/s. [kymmenen]

Vuonna 2006 GCC:n käyttöiän arvioitiin olevan 20-30 vuotta, jollei säiliöstimulaatiota 6 vuoden välein [11] .

Indusoitu seismisyys

Geotermisten järjestelmien keräilijöiden stimulointi voi laukaista maanjäristyksiä. Suurin seisminen aktiivisuus voi olla 3,0-3,7 yksikköä Richterin asteikolla [12] .

Samanlaisia ​​maanjäristyksiä tapahtui Sveitsissä, Saksassa ja muissa maissa [13] . Vuonna 2017 Etelä-Koreassa tapahtui 5,4 magnitudin maanjäristys[14] .

Uusien teknologioiden käyttö voi kuitenkin vähentää merkittävästi seismista aktiivisuutta hydraulisen murtamisen aikana [12] .

Historialliset ja nykyiset GVC:t

Vuoteen 2013 mennessä maailmassa toteutettiin 20 GVC-projektia, joissa oli keinotekoisesti stimuloitu säiliö, joista 14 oli toimivia voimalaitoksia ja 8 oli kehitteillä [15] . Luotiin useita satoja lämpöä tuottavia GCC:itä luonnonkerääjällä [16] .

Persianlahden yhteistyöneuvostojen perustamiseen ja toimintaan liittyviä hankkeita oli tai on olemassa Yhdysvalloissa, Isossa-Britanniassa, Saksassa, Australiassa, Ranskassa, Japanissa, Ruotsissa, Italiassa, El Salvadorissa, Sveitsissä, Kiinassa, Australiassa [17] [18] [19] .

Ranska

Ensimmäinen huokoisten kivien lämpöä käyttävä GCS rakennettiin Pariisissa vuonna 1963 ja sen oli tarkoitus lämmittää Brodkastin Chaos -kompleksia. [20] [21] [16]

Soultz-sous-Forêts

1980-luvun puolivälissä käynnistettiin Ranskan, Saksan ja Yhdistyneen kuningaskunnan yhteinen hanke petrotermisen GCC:n rakentamiseksi Soultz-sous- Foretiin . Myöhemmin siihen liittyi myös tutkijaryhmiä Italiasta, Sveitsistä ja Norjasta, ja siihen osallistui myös tutkijoita USA:sta ja Japanista.

Vuoteen 1991 mennessä kaivoja oli porattu 2,2 kilometrin syvyyteen ja säiliön hydraulinen stimulointi suoritettiin. Nestehäviöitä oli kuitenkin suuria. Kuten myöhemmin todettiin, tämä johtui siitä, että täällä 2-3 kilometrin syvyydessä olevissa kivissä oli suuri määrä luonnollisia vikoja ja murtumia, joista neste vuoti. [22]

Vuoteen 1995 mennessä kaivoja porattiin 3,9 km syvyyteen, jolloin lämpötila oli 168 °C. Hydraulisen murtamisen avulla luotiin säiliö, jonka jälkeen aloitettiin kiertokokeet. Valmistetun veden lämpötila oli 136 °C, ruiskutetun veden lämpötila 40 °C, lämpöteho 9 MW. Vuonna 1997 lämpöteho saavutti lisäkannustimien jälkeen 10 MW, kun taas pumppauslaitteet vaativat vain 250 kW. Kiertokoe 25 kg/s tasolla kesti 4 kuukautta, jäähdytysnestehäviöitä ei esiintynyt. [22]

Myöhemmin hankkeeseen liittyivät teollisuusyritykset. Vuoteen 2003 mennessä kaivoja syvennettiin 5,1 kilometriin. [22] Useiden hydraulisten ja kemiallisten stimulaatioiden avulla luotiin keräilijä, vuosina 2005–2008 suoritettiin sarja kiertotestejä, joiden aikana jäähdytysnestettä, jonka lämpötila oli noin 160 °C, saatiin aikaan. keräimen ulostulo. [23] Voimalaitoksen rakentaminen aloitettiin ja käynnistettiin syyskuussa 2016, ja se on toiminut menestyksekkäästi jatkuvasti siitä lähtien. Sen sähköteho on 1,7 MW. [24]

Myöhemmät projektit

1980-luvun lopulla aloitettiin projekti petrotermisen GCC:n luomiseksi lähellä Vichyä . Kaivoja porattiin noin 800 m syvyyteen ja stimuloitiin, minkä jälkeen suoritettiin kiertotestit. [25]

Vuonna 2014 Guadeloupen saarilla sijaitseva geoterminen kenttä Bouillante siirrettiin GCC-teknologiaan . Ennen tätä geotermistä jätevettä laskettiin mereen. Tulivuoren toiminnan ansiosta lämpötila nousee jo 320 metrin syvyydessä 250 asteeseen. Järjestelmän lämpöteho on 15,75 MW. [26]

Yhdysvallat

Fenton Hill

Ensimmäisen geotermisen kiertojärjestelmän, joka ottaa lämpöä läpäisemättömistä kivistä, rakensi Los Alamos National Laboratory New Mexicossa Fenton Hill -projektin aikana [1] . Hanke käynnistettiin vuonna 1974. Säiliön luomiseen käytettiin hydraulista murtumistekniikkaa. Ensimmäisen säiliön syvyys oli noin 2,7 km, kivien lämpötila noin 180 °C. Vuodesta 1977 vuoteen 1980 suoritettiin 5 kokeellista laukaisua, joiden kokonaiskesto oli 417 päivää. Lämpöteho vaihteli 3-5 MW, mikä mahdollisti 60 kW:n saamisen höyryturbiinigeneraattorin teholla.

Tämän jälkeen porattiin kaivoja 4,4 kilometriin asti, missä lämpötila saavutti 327 °C. Toista keräilijää vuonna 1986 käytettiin testitilassa 30 päivää. Keräimestä poistetun veden lämpötila oli 192°C. Paine ruiskutuskaivossa vaihteli välillä 26,9 - 30,3 MPa.

Toinen koelaukaisu suoritettiin vuonna 1992. 112 päivän käytön jälkeen järjestelmä sammui painepumpun vian vuoksi. Tuotantokaivon veden lämpötila nousi ensimmäisten 55 päivän aikana yli 180 °C, myöhemmin se alkoi laskea.

Vuonna 2000 hanke lopetettiin rahoitusleikkausten vuoksi. [27]

Myöhemmät projektit

Useita hydrotermisiä GCC-hankkeita on toteutettu Yhdysvalloissa, erityisesti Coso (2001), Desert Peak (2001), Glass Mountain, Geysers-Clear Lake [28] .

Iso-Britannia

Rosemanowes Quarry

Vuonna 1977 Rosemanowes Quarry petrothermal -pilottiprojekti käynnistettiinSe rajattiin tarkoituksella enintään 100 °C:n kivilämpötiloihin porausongelmien välttämiseksi. Vuonna 1983 porattiin ruiskutus- ja tuotantokaivo 2,6 km:n syvyyteen, jossa lämpötila saavutti 100 °C. Graniittimassiiville tehtiin hydraulinen murto, ja vuonna 1985 jäähdytysnesteen kierto alkoi. Se kesti 4 vuotta, keskimääräinen jäähdytysnesteen virtaus oli 20–25 kg/s, lämpötila keräimen ulostulossa oli alussa 80,5 °C ja lopussa 70,5 °C. Johtuen siitä, että stimulaation aikana muodostui epäonnistunut murtumakuvio, jäähdytysnesteessä oli merkittäviä häviöitä, lisäksi se pääsi ruiskutuskaivosta tuotantokaivoon liian nopeasti saamatta riittävästi lämpöä. [29]

Saksa

Vuosina 1976-1978 Falkenberg-projekti toteutettiin Baijerissa . Keräin luotiin noin 450 metrin syvyyteen ja kiertotestit suoritettiin virtauksella 3–4 kg/s. Projekti jatkui vuoteen 1983 asti. [25]

Vuonna 1977 Bad Urach -projekti aloitettiin Swabian Alpeilla lähellä Stuttgartia . Kaivoja porattiin 3,5 kilometrin syvyyteen ja stimuloitiin, minkä jälkeen suoritettiin onnistuneet kiertotestit. Tämän hankkeen pohjalta rakennettiin voimalaitos. [25]

Vuonna 2003 toteutettiin Neustadt-Glewen GCC-voimalaitosprojekti ( Neustadt-Glewe ), jonka sähköteho on 230 kW [30] .

Vuonna 2003 aloitettiin Landau projekti , jossa kaivot porattiin 3,3 km:n syvyyteen, jossa lämpötila on noin 160 °C. Hydraulinen ja kemiallinen stimulaatio suoritettiin. Vuonna 2007 käynnistettiin binäärivoimala, jonka sähköteho on 3 MW. Sinne tulevan jäähdytysnesteen lämpötila on 160 °C, käytetyn jäähdytysnesteen lämpötila on 70-80 °C ja sitä käytetään noin 8000 rakennuksen lämmittämiseen, minkä jälkeen sen lämpötila on noin 50 °C ja pumpataan takaisin jäähdytysnesteeseen. keräilijä. [31]

Myös Saksassa on projekteja Horstberg (2003), kaupallinen projekti Offenbach [25] , Bruchal, Insheim , Genesys, Hannover [32] .

Neuvostoliitto

Vuodesta 1981 vuoteen 1990 GCS:ää käytettiin jatkuvasti Khankalan lämpövesivarastossa Groznyin alueella . Sitä käytettiin Teplichnyn tehtaan kasvihuonekompleksin lämmittämiseen. [9]

Japani

Vuonna 1982 Ogachi-projekti käynnistettiin Akitan prefektuurissa , vulkaanisella vyöhykkeellä. Vuoteen 1992 mennessä kaivo porattiin 1,1 kilometrin syvyyteen, jossa lämpötila oli 240 ° C, ja stimulaatioita suoritettiin. Kiertokokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että huonon kaivojen välisen yhteyden vuoksi vain 3 % ruiskutetusta vedestä palautetaan. Useat toistetut stimulaatiot mahdollistivat tämän arvon nostamisen 25 prosenttiin. [33]

Vuonna 1989 aloitettiin Hijori-projekti Yamagatan prefektuurissa . Kaivoja porattiin noin 2 km syvyyteen ja säiliö luotiin hydraulisella murtolla. Vuonna 2000 aloitettiin 1 vuoden levikkikoe. Injektiokaivoon pumpattiin 15–20 kg/s 36 °C:n lämpötilaa vettä ja kahdesta 5 kg/s lämpötilassa 163 °C ja 4 kg/s lämpötilassa 172 °C. tuotantokaivot. Kokonaislämpöteho oli 8 MW. Kokeen lopussa käynnistettiin sähkögeneraattori, jonka teho oli 130 kW. [33]

Ruotsi

Vuonna 1984 käynnistettiin Fjällbackan petroterminen GCC-projekti Uddevallasta pohjoiseen . Keräin luotiin noin 0,5 km syvyyteen ja suoritettiin kiertotestit. [25]

Venäjä

Vuodesta 2016 alkaen GCC:t toimivat Venäjällä Ternairsky- ja Kizlyarsky-lämpövesiesiintymissä Dagestanissa . [9]

Venäjän lämpövesiesiintymien taloudelliseksi potentiaaliksi arvioidaan 50,1 miljoonaa tonnia polttoaineekvivalenttia. /vuosi perinteisellä suihkulähdetoiminnalla ja 114,9 miljoonaa tonnia polttoaineekvivalenttia/vuosi - GCS-toiminnalla. [3]

El Salvador

Vuonna 1992 Tekapan vulkaaniseen kompleksiin rakennettu Berliinin GCC:n voimalaitos saavutti kaivojen kemiallisen stimulaation jälkeen sähkötehon 109,4 MW. [34]

Sveitsi

Vuonna 1996 käynnistettiin hankkeita petrotermisten GCC-voimaloiden perustamiseksi Baseliin ( Deep Heat Mining Basel ) ja Geneveen [25] .

Itävalta

Vuonna 1997 Altheimin geoterminen järjestelmä muutettiin GCC:ksi. Vuonna 2000 se lanseerasi binäärivoimantuotantoyksikön. Koska keräimen ulostuloveden lämpötila on vain 106°C, se käyttää työnesteenä matalaentalpiasta fluorihiilipohjaista lämmönsiirtonestettä, joka mahdollistaa 1 MW:n sähkötehon saavuttamisen (lämpöteholla 12,4). MW). [35]

Australia

Vuodesta 1999 lähtien Hunter Valley -projektia [25] on kehitetty Australiassa .

Vuonna 2003 Cooper Basin -projektissa Etelä-Australiassa porattiin kaivoja noin 4 kilometrin syvyyteen, jossa lämpötila oli noin 250 °C. Kierrätyskokeiden aikana jäähdytysnesteen lämpötila ulostulossa oli 210 °C ja virtaus 25 kg/s. [36]

Kanada

Vuonna 2019 Rocky Mountain Housen kaupungin läheisyydessä Kanadan Albertan maakunnassa Eavor Technologies Inc. demonstraatiopetroterminen GCC Eavor-Lite rakennettiin. Se eroaa muista petrotermisistä hankkeista siinä, että maanalainen säiliö luotiin yksinomaan poraamalla, ilman hydraulista murtamista. Pystysuorat ruiskutus- ja tuotantokaivot sijaitsevat 2,5 km:n etäisyydellä toisistaan. 2,4 km:n syvyydessä ne on yhdistetty toisiinsa kahdella monenvälisellä vaakasuuntaisella kaivolla. Poraus tehtiin öljy- ja kaasuteollisuudessa käytettyjen teknologioiden avulla. [37] [38]

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 3 Pashkevich, 2015 , s. 388.
  2. ↑ Rotu, 2015 , s. kaksikymmentä.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Alkhasov, 2016 , s. 103.
  4. ↑ Alkhasov, 2016 , s. 108.
  5. ↑ 1 2 Alkhasov, 2016 , s. 105.
  6. ↑ Alkhasov, 2016 , s. 85.
  7. ↑ 1 2 Alkhasov, 2016 , s. 112.
  8. ↑ Alkhasov, 2016 , s. 102, 110.
  9. ↑ 1 2 3 Alkhasov, 2016 , s. 104.
  10. ↑ Alkhasov, 2016 , s. 103-105.
  11. ↑ Jefferson, 2006 , s. 1.29.
  12. ↑ 1 2 Pashkevich, 2015 , s. 395.
  13. ↑ Eurooppalaiset pelkäsivät maan sisäpuolen lämpöä. Ekologit ovat paniikissa.
  14. ↑ 2017 Korean maanjäristys, jonka laukaisi geoterminen voimalaitos.
  15. ↑ Rotu, 2013 .
  16. ↑ 1 2 Gnatus, 2013 , s. yksitoista.
  17. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 390-391.
  18. ↑ Jefferson, 2006 , s. 1.21.
  19. ↑ Hnatus, 2013 , s. 12.
  20. ↑ N.A. Babushkin. Näkymät geotermisen energian käyttöön Venäjällä  // Young Thought: Science. Tekniikka. Innovaatio. - 2009. - S. 218 .
  21. ↑ DTNA Gnus. Die Wärmeenergie der Erde ist die Basis des zukünftigen Energiesystems  (saksa) . aycateknik.com . Haettu: 3.9.2019.
  22. ↑ 1 2 3 Jefferson, 2006 , s. 4.26-4.31.
  23. ↑ Nicolas Cuenot, Louis Dorbath, Michel Frogneux, Nadège Langet. Kiertoolosuhteissa indusoitu mikroseisminen aktiivisuus Soultz-Sous-Forêtsin EGS-projektissa (Ranska  )  // Proceedings World Geothermal Conference. - 2010. - tammikuuta.
  24. ↑ Justine MOUCHOT, Albert GENTER, Nicolas CUENOT, Olivier SEIBEL, Julia SCHEIBER, Clio BOSIA, Guillaume RAVIER. Ensimmäinen toimintavuosi EGS:n geotermisistä laitoksista Alsacessa, Ranskassa: Scaling Issues  //  43. työpaja geotermistä säiliösuunnittelusta. - Stanford, Kalifornia: Stanfordin yliopisto, 2018. - 12.-14. helmikuuta. - s. 1, 3 .
  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Jefferson, 2006 , s. 4,36-4,42.
  26. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 389.
  27. ↑ Jefferson, 2006 , s. 4.7-4.13.
  28. ↑ Jefferson, 2006 , s. 4.35.
  29. ↑ Jefferson, 2006 , s. 4.14-4.18.
  30. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 393.
  31. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 393-394.
  32. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 393, 395.
  33. ↑ 12 Jefferson , 2006 , s. 4.19-4.23.
  34. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 392.
  35. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 389-392.
  36. ↑ Jefferson, 2006 , s. 4,32-4,34.
  37. ↑ Maailman ensimmäinen todella skaalautuva Green Baseload Power -muoto, jonka esitteli Eavor Technologies Inc.  (englanniksi)  (linkki ei ole käytettävissä) . Eavor (5. helmikuuta 2020). Haettu 30. kesäkuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 1. heinäkuuta 2020.
  38. ↑ Ensimmäinen laatuaan geoterminen pilotti luotettavan perusvoiman tuottamiseksi  . Päästöjen vähentäminen Alberta . Haettu 30. kesäkuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 2. heinäkuuta 2020.

Kirjallisuus

  • Alkhasov A.B. Uusiutuvat energianlähteet. - M . : MPEI Publishing House, 2016. - ISBN 978-5-383-00960-4 .
  • Gnatus N.A. Avoin seminaari "Energiakompleksin taloudelliset ongelmat" (A.S. Nekrasovin seminaari). Petroterminen energia Venäjällä. Tutkimus- ja kehitysnäkymät. - M .: INP RAS Publishing House, 2013.
  • Pashkevich R.I. , Pavlov K.A. Kiertävien geotermisten järjestelmien käytön nykytila ​​lämmön- ja sähkönjakelussa // Kaivostiedot ja analyyttinen tiedote: tieteellinen ja tekninen lehti. - Kaivoskirja, 2015. - S. 388-399 . — ISSN 0236-1493 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Liu X. , Falcone G. Tehostettujen (tai suunniteltujen) geotermisten järjestelmien systemaattinen katsaus: menneisyys, nykyisyys ja tulevaisuus  //  Geotherm Energy. - 2013. - Ei. 1:4 . - doi : 10.1186/2195-9706-1-4 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Falcone G. Haasteiden voittaminen syvän geotermisen potentiaalin luokittelussa  //  Geoterminen energiatiede. - 2015. - Ei. 3 . - s. 19-39 . - doi : 10.5194/gtes-3-19-2015 .
  • Geotermisen energian tulevaisuus. Enhanced Geothermal Systems (EGS) vaikutus Yhdysvaltoihin 2000-luvulla . - Massachusetts Institute of Technology, 2006. - ISBN 0-615-13438-6 . Arkistoitu alkuperäisestä 10. maaliskuuta 2011.

Linkit