Sistem de circulație geotermală

Sistemul de circulație geotermală (GCS) este un sistem de extragere a energiei termice din intestinele Pământului pentru a o utiliza pentru furnizarea de căldură sau generarea de energie electrică. Diferă de sistemele geotermale tradiționale prin faptul că lichidul de răcire uzat este pompat înapoi în pământ.

Terminologie

Conceptul de „sistem de circulație geotermal” a fost introdus în anii 1970 de către fizicienii termici minieri sovietici O. A. Kremnev , Yu. D. Dyadkin și A. N. Shcherban [1] .

În literatura engleză, termenul de sistem geotermal îmbunătățit (sau proiectat) (EGS) este folosit pentru a se referi la sistemele de circulație geotermală la care a fost aplicată stimularea artificială a rezervorului [1] . Acest concept a fost propus în 1999 de către cercetătorii M. Grassiani, Z. Krieger și H. Legmann. [2] .

Cum funcționează

Principiul de funcționare al CCG este următorul. Printr-un puț de producție, lichidul de răcire (de obicei apă cu impurități) este extras din acviferul exploatat (rezervor subteran) la suprafață. În continuare, căldura lichidului de răcire este îndepărtată, după care este pompată înapoi în rezervor prin puțul de injecție cu ajutorul unei pompe. [3]

În funcție de prezența apelor geotermale de origine naturală în rezervor, GCC poate fi fie hidrotermală, fie petrotermală . În acest din urmă caz, este necesar să se creeze artificial canale în rocă pentru circulația lichidului de răcire și să se pompeze apă în el dintr-o sursă externă. [patru]

Pentru a crește permeabilitatea rocilor și a crește suprafața de îndepărtare a căldurii, sunt utilizate metode de stimulare artificială, dintre care cele mai comune includ fracturarea hidraulică a masivului și tratarea acidă a zonei de fund. [5]

Pentru a preveni coroziunea și detartrarea în comunicații, se folosește o schemă cu două circuite: fluidul geotermal transferă căldura printr-un schimbător de căldură către apa curată care circulă într-un circuit separat [6] . Căldura rezultată poate fi folosită atât pentru încălzire, cât și pentru generarea de energie electrică cu ajutorul unei turbine cu abur. Cu toate acestea, este recomandabil să utilizați GCS ca centrală electrică numai dacă temperatura lichidului de răcire nu este mai mică de 100 °C [7] .

Avantaje și dezavantaje

GCC-urile au avantaje semnificative față de sistemele geotermale tradiționale:

Cu toate acestea, au și câteva dezavantaje:

Răcirea formației

Ca urmare a reinjectării lichidului de răcire răcit, rezervorul se răcește inevitabil în timp. Din această cauză, puterea stației este redusă.

Există 2 faze ale funcționării GCS:

  1. Prima fază este atunci când temperatura lichidului de răcire la ieșirea rezervorului subteran este aproape de temperatura inițială a formațiunii.
  2. A doua fază începe când temperatura lichidului de răcire devine mai mică decât temperatura de formare inițială și se termină când temperatura lichidului de răcire la ieșirea colectorului se apropie de temperatura lichidului de răcire la intrarea în colector. După aceea, operarea ulterioară a sistemului devine imposibilă.

Timpul de funcționare al GCS poate fi calculat prin formula:

unde  este timpul, s,  este capacitatea termică a formațiunii, kJ/kg,  este densitatea apei termale din puțuri, kg/m 3 ,  este grosimea formațiunii, m,  este distanța dintre puțurile de injecție și producție, m,  este capacitatea termică a apei din formațiune, kJ kg,  este debitul sistemului de circulație, kg/s. [zece]

În 2006, durata de viață a GCC a fost estimată la 20-30 de ani, supusă stimulării rezervorului la fiecare 6 ani [11] .

Seismitate indusă

Stimularea colectoarelor sistemelor geotermale poate declanșa cutremure. Activitatea seismică maximă poate atinge 3,0-3,7 unități pe scara Richter [12] .

Cutremurele similare au avut loc în Elveția, Germania și alte țări [13] . În 2017, în Coreea de Sud a avut loc un cutremur cu magnitudinea 5,4 [14] .

Cu toate acestea, utilizarea noilor tehnologii poate reduce semnificativ activitatea seismică în timpul fracturării hidraulice [12] .

GVC-uri istorice și actuale

Începând cu 2013, în lume au fost implementate 20 de proiecte GVC cu un rezervor stimulat artificial, dintre care 14 erau centrale în exploatare, iar 8 erau în curs de dezvoltare [15] . Au fost create câteva sute de GCC care furnizează căldură cu un colector natural [16] .

Proiecte pentru crearea și funcționarea GCC-urilor au existat sau există în SUA, Marea Britanie, Germania, Australia, Franța, Japonia, Suedia, Italia, El Salvador, Elveția, China, Australia [17] [18] [19] .

Franța

Primul GCS care folosea căldura rocilor poroase a fost construit la Paris în 1963 și avea scopul de a încălzi complexul Brodkastin Chaos. [20] [21] [16]

Soultz-sous-Forêts

La mijlocul anilor 1980, a fost lansat un proiect comun franco-german-magazin pentru a construi un GCC petrotermal la Soultz-sous-Foret . Ulterior, i s-au alăturat și grupuri de oameni de știință din Italia, Elveția și Norvegia, iar la ea au luat parte și oameni de știință din SUA și Japonia.

Până în 1991, puțurile au fost forate la o adâncime de 2,2 km și a fost efectuată stimularea hidraulică a rezervorului. Cu toate acestea, au existat pierderi mari de lichide. După cum s-a stabilit ulterior, acest lucru s-a întâmplat din cauza faptului că rocile aflate la o adâncime de 2-3 km de aici prezentau un număr mare de falii și fracturi de origine naturală, unde lichidul s-a scurs. [22]

Până în 1995, puțurile au fost forate până la 3,9 km adâncime, unde temperatura era de 168 °C. Cu ajutorul fracturării hidraulice a fost creat un rezervor, după care s-au început experimentele de circulație. Temperatura apei produse a fost de 136 °C, temperatura apei injectate a fost de 40 °C, cu o putere termică de 9 MW. În 1997, după stimulente suplimentare, puterea termică a ajuns la 10 MW, în timp ce echipamentul de pompare necesita doar 250 kW. Experimentul de circulație la nivelul de 25 kg/s a durat 4 luni, nu au existat pierderi de lichid de răcire. [22]

Ulterior, corporațiile industriale s-au alăturat proiectului. Până în 2003, puțurile au fost adâncite la 5,1 km. [22] Cu ajutorul mai multor stimulări hidraulice și chimice a fost creat un colector, în 2005–2008 s-au efectuat o serie de teste de circulație, în cadrul cărora s-a putut obține un lichid de răcire cu o temperatură de aproximativ 160 °C la ieșire a colectorului. [23] Construcția centralei electrice a fost începută și lansată în septembrie 2016 și de atunci a fost exploatată cu succes în mod continuu. Puterea sa electrică este de 1,7 MW. [24]

Proiecte ulterioare

La sfârșitul anilor 1980, a fost demarat un proiect de creare a unui GCC petrotermal lângă Vichy . Au fost forate puțuri la aproximativ 800 m adâncime și stimulate, după care au fost efectuate teste de circulație. [25]

În 2014, câmpul geotermal Bouillante de pe insulele Guadelupa a fost transferat la tehnologia GCC . Înainte de aceasta, apa geotermală reziduală era aruncată în mare. Datorită activității vulcanice, aici deja la o adâncime de 320 m temperatura ajunge la 250 °C. Puterea termică a sistemului este de 15,75 MW. [26]

Statele Unite ale Americii

Fenton Hill

Primul sistem de circulație geotermală care extrage căldură din rocile impermeabile a fost construit de Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico în timpul Proiectului Fenton Hill [1] . Proiectul a fost lansat în 1974. Tehnologia de fracturare hidraulică a fost aplicată pentru a crea rezervorul. Adâncimea primului rezervor era de aproximativ 2,7 km, temperatura rocilor era de aproximativ 180 °C. Din 1977 până în 1980, au fost efectuate 5 lansări experimentale cu o durată totală de 417 zile. Puterea termică a variat de la 3 la 5 MW, ceea ce a făcut posibilă obținerea a 60 kW la puterea generatorului cu turbină cu abur.

Ulterior, au fost forate sonde până la 4,4 km, unde temperatura a ajuns la 327 °C. Al doilea colector din 1986 a fost operat în modul de testare timp de 30 de zile. Temperatura apei extrase din colector a fost de 192°C. Presiunea din puțul de injecție a variat între 26,9 și 30,3 MPa.

O altă lansare de test a fost efectuată în 1992. După 112 zile de funcționare, sistemul a fost oprit din cauza unei defecțiuni a pompei de presiune. În primele 55 de zile, temperatura apei din producție a depășit cu mult 180 °C, ulterior a început să scadă.

În anul 2000, din cauza reducerilor de finanțare, proiectul a fost închis. [27]

Proiecte ulterioare

În SUA au fost implementate mai multe proiecte hidrotermale GCC, în special, Coso (2001), Desert Peak (2001), Glass Mountain, Geysers-Clear Lake [28] .

Regatul Unit

Cariera Rosemanowes

În 1977, proiectul pilot petrotermal GCC Rosemanowes Quarry a în Cornwall A fost limitat în mod deliberat la temperaturi ale rocii de până la 100°C pentru a evita problemele de foraj. În 1983, a fost forată o sondă de injecție și producție la o adâncime de 2,6 km, unde temperatura a ajuns la 100 °C. S-a efectuat o fracturare hidraulică a masivului granitic, iar în 1985 a început circulația lichidului de răcire. A durat 4 ani, debitul mediu de lichid de răcire a fost de 20–25 kg/s, temperatura la ieșirea din colector a fost de 80,5°C la început și a scăzut la 70,5°C la sfârșit. Datorită faptului că în timpul stimulării s-a format un model de fractură nereușit, au existat pierderi semnificative ale lichidului de răcire, în plus, acesta a ajuns din puțul de injecție în puțul de producție prea repede, fără a primi suficientă căldură. [29]

Germania

În 1976-1978, proiectul Falkenberg a fost implementat în Bavaria . A fost creat un colector la o adâncime de aproximativ 450 m și s-au efectuat teste de circulație cu un debit de 3-4 kg/s. Proiectul a continuat până în 1983. [25]

În 1977, proiectul Bad Urach a fost demarat în Alpii șvabi , lângă Stuttgart . Au fost forate puțuri la o adâncime de 3,5 km și stimulate, urmate de teste de circulație cu succes. Pe baza acestui proiect a fost creată o centrală electrică. [25]

În 2003, a fost implementat proiectul centralei electrice Neustadt-Glewe GCC ( Neustadt-Glewe ) cu o putere electrică de 230 kW [30] .

În 2003 a fost demarat proiectul Landau , cu puțuri forate la o adâncime de 3,3 km, unde temperatura este de aproximativ 160 °C. S-a efectuat stimularea hidraulica si chimica. În 2007, a fost lansată o centrală binară cu o putere electrică de 3 MW. Temperatura lichidului de răcire care intră în el este de 160 °C, lichidul de răcire uzat are o temperatură de 70-80 °C și este folosit pentru încălzirea a aproximativ 8000 de clădiri, după care are o temperatură de aproximativ 50 °C și este pompat înapoi în colector. [31]

Tot în Germania există proiecte Horstberg (2003), proiect comercial Offenbach [25] , Bruchal, Insheim , Genesys, Hannover [32] .

URSS

Din 1981 până în 1990, GCS a fost operat continuu la zăcământul de ape termale Khankala din regiunea Grozny . A fost folosit pentru încălzirea complexului de seră al plantei Teplichny. [9]

Japonia

În 1982, proiectul Ogachi a fost lansat în prefectura Akita , într-o zonă vulcanică. Până în 1992, un puț a fost forat la o adâncime de 1,1 km, unde temperatura a fost de 240 ° C și au fost efectuate stimulări. Experimentele de circulație au arătat însă că, din cauza conexiunii slabe între puțuri, doar 3% din apa injectată este returnată. Mai multe stimulări repetate au făcut posibilă creșterea acestei valori la 25%. [33]

În 1989, a fost demarat Proiectul Hijori din prefectura Yamagata . Au fost forate puțuri la o adâncime de aproximativ 2 km și a fost creat un rezervor prin fracturare hidraulică. În 2000, a început un experiment de circulație de 1 an. 15–20 kg/s de apă la o temperatură de 36 °C au fost pompate în puțul de injecție și 5 kg/s la o temperatură de 163 °C și 4 kg/s la o temperatură de 172 °C au fost returnate din două puţuri de producţie. Puterea termică totală a fost de 8 MW. La finalul experimentului a fost lansat un generator electric cu o capacitate de 130 kW. [33]

Suedia

În 1984, a fost demarat proiectul petrotermal GCC Fjällbacka, la nord de Uddevalla . A fost creat un colector la o adâncime de aproximativ 0,5 km și s-au efectuat teste de circulație. [25]

Rusia

Începând cu 2016, GCC-urile operează în Rusia la zăcămintele de ape termale Ternairsky și Kizlyarsky din Daghestan . [9]

Potențialul economic al zăcămintelor de apă termală din Rusia este estimat la 50,1 milioane de tone echivalent combustibil. /an cu funcționare tradițională cu fântână și 114,9 milioane tone echivalent combustibil/an - cu funcționare GCS. [3]

El Salvador

Construită în 1992 în complexul vulcanic Tekapa , centrala electrică Berlin GCC, după stimularea chimică a puțurilor, a atins o putere electrică de 109,4 MW. [34]

Elveția

În 1996, au fost lansate proiecte de creare a centralelor petrotermale GCC la Basel ( Deep Heat Mining Basel ) și Geneva [25] .

Austria

În 1997, sistemul geotermal Altheim a fost transformat în GCC. În 2000, a lansat o unitate binară de generare a energiei. Deoarece temperatura apei la ieșire a colectorului este de numai 106°C, acesta utilizează ca fluid de lucru un fluid de transfer termic pe bază de fluorocarbon cu entalpie scăzută, ceea ce face posibilă obținerea unei puteri electrice de 1 MW (cu o putere termică de 12,4). MW). [35]

Australia

Din 1999, proiectul Hunter Valley [25] a fost dezvoltat în Australia .

În 2003, proiectul Cooper Basin din Australia de Sud a forat puțuri la o adâncime de aproximativ 4 km, unde temperatura era de aproximativ 250 °C. În timpul experimentelor cu circulație, temperatura lichidului de răcire la ieșire a fost de 210 °C, cu un debit de 25 kg/s. [36]

Canada

În 2019, în vecinătatea orașului Rocky Mountain House din provincia canadiană Alberta , Eavor Technologies Inc. a fost construită o demonstrație petrotermală GCC Eavor-Lite. Se deosebește de alte proiecte petrotermale prin faptul că rezervorul subteran a fost creat exclusiv prin foraj, fără utilizarea fracturării hidraulice. Sondele verticale de injecție și producție sunt situate la o distanță de 2,5 km una de alta. La o adâncime de 2,4 km, acestea sunt conectate între ele prin două puțuri orizontale multilaterale. Forajul a fost efectuat folosind tehnologii utilizate în industria petrolului și gazelor. [37] [38]

Note

  1. ↑ 1 2 3 Pașkevici, 2015 , p. 388.
  2. ↑ Breede, 2015 , p. douăzeci.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Alkhasov, 2016 , p. 103.
  4. ↑ Alkhasov, 2016 , p. 108.
  5. ↑ 1 2 Alkhasov, 2016 , p. 105.
  6. ↑ Alkhasov, 2016 , p. 85.
  7. ↑ 1 2 Alkhasov, 2016 , p. 112.
  8. ↑ Alkhasov, 2016 , p. 102, 110.
  9. ↑ 1 2 3 Alkhasov, 2016 , p. 104.
  10. ↑ Alkhasov, 2016 , p. 103-105.
  11. ↑ Jefferson, 2006 , p. 1.29.
  12. ↑ 1 2 Pașkevici, 2015 , p. 395.
  13. ↑ Europenii se temeau de căldura din interiorul pământului. Ecologiștii sunt în panică.
  14. ↑ Cutremur din Coreea din 2017 declanșat de o centrală geotermală.
  15. ↑ Breede, 2013 .
  16. ↑ 1 2 Gnatus, 2013 , p. unsprezece.
  17. ↑ Pașkevici, 2015 , p. 390-391.
  18. ↑ Jefferson, 2006 , p. 1.21.
  19. ↑ Hnatus, 2013 , p. 12.
  20. ↑ N.A. Babușkin. Perspective pentru utilizarea energiei geotermale în Rusia  // Young Thought: Science. Tehnologie. Inovaţie. - 2009. - S. 218 .
  21. ↑ DTNA Gnus. Die Wärmeenergie der Erde ist die Basis des zukünftigen Energiesystems  (germană) . aycateknik.com . Preluat: 3 septembrie 2019.
  22. ↑ 1 2 3 Jefferson, 2006 , p. 4,26-4,31.
  23. ↑ Nicolas Cuenot, Louis Dorbath, Michel Frogneux, Nadège Langet. Activitate microseismică indusă în condiții de circulație la proiectul EGS din Soultz-Sous-Forêts (Franța  )  // Proceedings World Geothermal Conference. - 2010. - ianuarie.
  24. ↑ Justine MOUCHOT, Albert GENTER, Nicolas CUENOT, Olivier SEIBEL, Julia SCHEIBER, Clio BOSIA, Guillaume RAVIER. Primul an de funcționare a centralelor geotermale EGS din Alsacia, Franța: Probleme de scalare  //  Al 43-lea atelier de inginerie a rezervoarelor geotermale. - Stanford, California: Universitatea Stanford, 2018. - 12-14 februarie. - P. 1, 3 .
  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Jefferson, 2006 , p. 4,36-4,42.
  26. ↑ Pașkevici, 2015 , p. 389.
  27. ↑ Jefferson, 2006 , p. 4,7-4,13.
  28. ↑ Jefferson, 2006 , p. 4.35.
  29. ↑ Jefferson, 2006 , p. 4.14-4.18.
  30. ↑ Pașkevici, 2015 , p. 393.
  31. ↑ Pașkevici, 2015 , p. 393-394.
  32. ↑ Pașkevici, 2015 , p. 393, 395.
  33. ↑ 12 Jefferson , 2006 , p. 4.19-4.23.
  34. ↑ Pașkevici, 2015 , p. 392.
  35. ↑ Pașkevici, 2015 , p. 389-392.
  36. ↑ Jefferson, 2006 , p. 4,32-4,34.
  37. ↑ Prima formă cu adevărat scalabilă de Power Baseload Verde din lume, demonstrată de Eavor Technologies Inc.  (engleză)  (link inaccesibil) . Eavor (5 februarie 2020). Preluat la 30 iunie 2020. Arhivat din original la 1 iulie 2020.
  38. ↑ Primul pilot geotermal de acest fel care produce putere de bază  fiabilă . Reducerea emisiilor Alberta . Preluat la 30 iunie 2020. Arhivat din original la 2 iulie 2020.

Literatură

  • Alkhasov A.B. Surse regenerabile de energie. - M . : Editura MPEI, 2016. - ISBN 978-5-383-00960-4 .
  • Gnatus N.A. Seminar deschis „Problemele economice ale complexului energetic” (seminar de A.S. Nekrasov). Energia petrotermală în Rusia. Perspective de explorare și dezvoltare. - M. : Editura INP RAS, 2013.
  • Pashkevich R.I. , Pavlov K.A. Starea actuală a utilizării sistemelor geotermale circulante pentru alimentarea cu energie termică și electrică // Informații miniere și buletin analitic: jurnal științific și tehnic. - Cartea minelor, 2015. - S. 388-399 . — ISSN 0236-1493 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Liu X. , Falcone G. O revizuire sistematică a sistemelor geotermale îmbunătățite (sau proiectate): trecut, prezent și viitor  //  Geotherm Energy. - 2013. - Nr. 1:4 . - doi : 10.1186/2195-9706-1-4 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Falcone G. Depășirea provocărilor în clasificarea potențialului geotermal profund  //  Știința energiei geotermale. - 2015. - Nr. 3 . - P. 19-39 . - doi : 10.5194/gtes-3-19-2015 .
  • Viitorul energiei geotermale. Impactul sistemelor geotermale îmbunătățite (EGS) asupra Statelor Unite în secolul 21 . - Massachusetts Institute of Technology, 2006. - ISBN 0-615-13438-6 . Arhivat din original pe 10 martie 2011.

Link -uri