Geotermisk cirkulationssystem

Geotermisk cirkulationssystem (GCS) er et system til at udvinde termisk energi fra jordens indvolde for at bruge det til varmeforsyning eller elproduktion. Det adskiller sig fra traditionelle geotermiske systemer ved, at det brugte kølemiddel pumpes tilbage under jorden.

Terminologi

Begrebet "geotermisk cirkulationssystem" blev introduceret i 1970'erne af de sovjetiske termiske minefysikere O. A. Kremnev , Yu. D. Dyadkin og A. N. Shcherban [1] .

I den engelske litteratur bruges udtrykket forstærket (eller manipuleret) geotermisk system (EGS) til at henvise til geotermiske cirkulationssystemer, hvortil kunstig reservoirstimulering er blevet anvendt [1] . Dette koncept blev foreslået i 1999 af forskerne M. Grassiani, Z. Krieger og H. Legmann. [2] .

Sådan virker det

Princippet for driften af ​​GCC er som følger. Gennem en produktionsbrønd udvindes kølevæsken (normalt vand med urenheder) fra den udnyttede akvifer (underjordisk reservoir) til overfladen. Dernæst tages kølevæskevarmen af, hvorefter den pumpes tilbage i reservoiret gennem injektionsbrønden ved hjælp af en pumpe. [3]

Afhængigt af tilstedeværelsen af ​​geotermisk vand af naturlig oprindelse i reservoiret, kan GCC være enten hydrotermisk eller petrotermisk . I sidstnævnte tilfælde er det nødvendigt kunstigt at skabe kanaler i klippen til cirkulation af kølevæsken og pumpe vand ind i det fra en ekstern kilde. [fire]

For at øge permeabiliteten af ​​klipper og øge varmefjernelsesoverfladen anvendes kunstige stimuleringsmetoder, hvoraf de mest almindelige omfatter hydraulisk frakturering af massivet og syrebehandling af bundhulszonen. [5]

For at forhindre korrosion og skalering i kommunikation anvendes et to-kredsløbsskema: den geotermiske væske overfører varme gennem en varmeveksler til rent vand, der cirkulerer i et separat kredsløb [6] . Den resulterende varme kan bruges både til opvarmning og til at generere elektricitet ved hjælp af en dampturbine. Det tilrådes dog kun at bruge GCS som et kraftværk, hvis kølevæsketemperaturen ikke er lavere end 100 °C [7] .

Fordele og ulemper

GCC'er har betydelige fordele i forhold til traditionelle geotermiske systemer:

Men de har også nogle ulemper:

Formationsafkøling

Som et resultat af genindsprøjtningen af ​​det afkølede kølemiddel afkøles reservoiret uundgåeligt over tid. På grund af dette reduceres stationens effekt.

Der er 2 faser af GCS-drift:

  1. Den første fase er, når temperaturen af ​​kølevæsken ved udløbet af det underjordiske reservoir er tæt på formationens begyndelsestemperatur.
  2. Den anden fase begynder, når kølevæsketemperaturen bliver lavere end den oprindelige formationstemperatur og slutter, når kølevæsketemperaturen ved kollektorudløbet nærmer sig kølevæsketemperaturen ved solfangerens indløb. Derefter bliver yderligere drift af systemet umulig.

Driftstiden for GCS kan beregnes ved hjælp af formlen:

hvor  er tid, s,  er formationens varmekapacitet, kJ/kg,  er densiteten af ​​termisk vand i brønde, kg/m 3 ,  er formationens tykkelse, m,  er afstanden mellem injektions- og produktionsbrønde, m,  er varmekapaciteten af ​​vand i formationen, kJ kg,  er strømningshastigheden af ​​cirkulationssystemet, kg/s. [ti]

I 2006 blev levetiden for GCC anslået til 20-30 år, med forbehold for reservoirstimulering hvert 6. år [11] .

Induceret seismicitet

Stimulering af samlere af geotermiske systemer kan udløse jordskælv. Den maksimale seismiske aktivitet kan nå op på 3,0-3,7 enheder på Richter-skalaen [12] .

Lignende jordskælv fandt sted i Schweiz, Tyskland og andre lande [13] . I 2017 indtraf et jordskælv med en styrke på 5,4 i Sydkorea [14] .

Brugen af ​​nye teknologier kan imidlertid reducere seismisk aktivitet betydeligt under hydraulisk frakturering [12] .

Historiske og nuværende GVC'er

Fra 2013 blev 20 GVC-projekter med et kunstigt stimuleret reservoir implementeret i verden, hvoraf 14 var i drift kraftværker, og 8 var under udvikling [15] . Flere hundrede varmeforsynende GCC'er med en naturlig solfanger blev skabt [16] .

Projekter til oprettelse og drift af GCC'er eksisterede eller eksisterer i USA, Storbritannien, Tyskland, Australien, Frankrig, Japan, Sverige, Italien, El Salvador, Schweiz, Kina, Australien [17] [18] [19] .

Frankrig

Den første GCS, der bruger varmen fra porøse klipper, blev bygget i Paris i 1963 og var beregnet til at opvarme Brodkastin Chaos-komplekset. [20] [21] [16]

Soultz-sous-Forêts

I midten af ​​1980'erne blev et fælles fransk-tysk-UK projekt lanceret for at bygge en petrotermisk GCC ved Soultz-sous-Foret . Senere sluttede grupper af videnskabsmænd fra Italien, Schweiz og Norge sig også til, og videnskabsmænd fra USA og Japan deltog også i det.

I 1991 var brønde blevet boret til en dybde på 2,2 km, og hydraulisk stimulering af reservoiret blev udført. Der var dog store væsketab. Som det senere blev fastslået, skete det på grund af, at klipperne på 2-3 km dybde her havde en lang række forkastninger og brud af naturlig oprindelse, hvor væsken lækkede. [22]

I 1995 blev der boret brønde op til 3,9 km dybe, hvor temperaturen var 168 °C. Ved hjælp af hydraulisk frakturering blev der skabt et reservoir, hvorefter cirkulationsforsøg blev startet. Temperaturen af ​​det producerede vand var 136 °C, temperaturen af ​​det injicerede vand var 40 °C, med en termisk effekt på 9 MW. I 1997 nåede varmeeffekten efter yderligere incitamenter 10 MW, mens pumpeudstyr kun krævede 250 kW. Cirkulationsforsøget ved niveauet 25 kg/s varede 4 måneder, der var ingen kølevæsketab. [22]

Senere sluttede industriselskaber sig til projektet. I 2003 var brøndene uddybet til 5,1 km. [22] Ved hjælp af adskillige hydrauliske og kemiske stimuleringer blev der skabt en opsamler, i 2005-2008 blev der udført en række cirkulationstests, hvor det var muligt at opnå et kølemiddel med en temperatur på omkring 160 °C ved opsamlerens udløb. [23] Byggeriet af kraftværket blev påbegyndt og igangsat i september 2016 og har været drevet kontinuerligt med succes lige siden. Dens elektriske effekt er 1,7 MW. [24]

Efterfølgende projekter

I slutningen af ​​1980'erne blev et projekt startet for at skabe en petrotermisk GCC nær Vichy . Brønde blev boret ca. 800 m dybe og stimuleret, hvorefter cirkulationstest blev udført. [25]

I 2014 blev det geotermiske felt Bouillante på øerne Guadeloupe overført til GCC-teknologien . Forinden blev der dumpet jordaffaldsvand i havet. Takket være vulkansk aktivitet når temperaturen her allerede i en dybde på 320 m 250 °C. Systemets termiske effekt er 15,75 MW. [26]

USA

Fenton Hill

Det første geotermiske cirkulationssystem til at udvinde varme fra uigennemtrængelige klipper blev bygget af Los Alamos National Laboratory i New Mexico under Fenton Hill-projektet [1] . Projektet blev lanceret i 1974. Hydraulisk fraktureringsteknologi blev anvendt til at skabe reservoiret. Dybden af ​​det første reservoir var omkring 2,7 km, temperaturen på klipperne var omkring 180 °C. Fra 1977 til 1980 blev der gennemført 5 eksperimentelle opsendelser med en samlet varighed på 417 dage. Termisk effekt varierede fra 3 til 5 MW, hvilket gjorde det muligt at opnå 60 kW ved udgangen af ​​dampturbinegeneratoren.

Efterfølgende blev der boret brønde op til 4,4 km, hvor temperaturen nåede 327 °C. Den anden opsamler i 1986 blev drevet i testtilstand i 30 dage. Temperaturen af ​​det vand, der blev udtaget fra opsamleren, var 192°C. Trykket i injektionsbrønden varierede fra 26,9 til 30,3 MPa.

En anden testlancering blev udført i 1992. Efter 112 dages drift blev systemet lukket ned på grund af en fejl i trykpumpen. I løbet af de første 55 dage oversteg vandtemperaturen fra produktionsbrønden 180 °C, senere begyndte den at falde.

I 2000 blev projektet lukket på grund af finansieringsnedskæringer. [27]

Efterfølgende projekter

Adskillige hydrotermiske GCC-projekter er blevet implementeret i USA, især Coso (2001), Desert Peak (2001), Glass Mountain, Geysers-Clear Lake [28] .

Storbritannien

Rosemanowes Quarry

Rosemanowes Quarry petrotermiske GCC - pilotprojekt i Cornwall Det var bevidst begrænset til stentemperaturer på op til 100°C for at undgå boreproblemer. I 1983 blev der boret en injektions- og produktionsbrønd til en dybde på 2,6 km, hvor temperaturen nåede 100 °C. Der blev foretaget en hydraulisk frakturering af granitmassivet, og i 1985 begyndte cirkulationen af ​​kølevæsken. Det varede 4 år, den gennemsnitlige kølevæskestrøm var 20-25 kg/s, temperaturen ved udløbet af solfangeren var 80,5°C i begyndelsen og faldt til 70,5°C ved slutningen. På grund af det faktum, at der under stimuleringen blev dannet et mislykket brudmønster, var der betydelige tab af kølevæsken, derudover kom det fra injektionsbrønden ind i produktionsbrønden for hurtigt uden at modtage nok varme. [29]

Tyskland

I 1976-1978 blev Falkenberg-projektet gennemført i Bayern . Der blev lavet en opsamler i en dybde på ca. 450 m, og der blev udført cirkulationstest med et flow på 3-4 kg/s. Projektet fortsatte indtil 1983. [25]

I 1977 blev Bad Urach-projektet startet i de schwabiske alper nær Stuttgart . Brønde blev boret til en dybde på 3,5 km og stimuleret, efterfulgt af vellykkede cirkulationstests. På baggrund af dette projekt blev der oprettet et kraftværk. [25]

I 2003 blev Neustadt-Glewe GCC-kraftværksprojektet ( Neustadt-Glewe ) med en elektrisk effekt på 230 kW [30] implementeret .

I 2003 startede Landau projektet med brønde boret til en dybde på 3,3 km, hvor temperaturen er omkring 160 °C. Hydraulisk og kemisk stimulering blev udført. I 2007 blev et binært anlæg med en elektrisk effekt på 3 MW lanceret. Temperaturen på kølevæsken, der kommer ind er 160 °C, den brugte kølevæske har en temperatur på 70-80 °C og bruges til opvarmning af ca. 8000 bygninger, hvorefter den har en temperatur på ca. 50 °C og pumpes tilbage i samler. [31]

Også i Tyskland er der projekter Horstberg (2003), kommercielt projekt Offenbach [25] , Bruchal, Insheim ( Genesys, Hannover [32] .

USSR

Fra 1981 til 1990 blev GCS kontinuerligt drevet ved Khankala-aflejringen af ​​termiske farvande i Grozny-regionen . Det blev brugt til opvarmning af drivhuskomplekset i Teplichny-anlægget. [9]

Japan

I 1982 blev Ogachi-projektet lanceret i Akita Prefecture , i en vulkansk zone. I 1992 blev en brønd boret til en dybde på 1,1 km, hvor temperaturen var 240 ° C, og stimuleringer blev udført. Cirkulationsforsøg har dog vist, at der på grund af dårlig forbindelse mellem brønde kun returneres 3 % af det injicerede vand. Flere gentagne stimulationer gjorde det muligt at øge denne værdi til 25 %. [33]

I 1989 blev Hijori-projektet i Yamagata-præfekturet startet . Brønde blev boret til en dybde på ca. 2 km, og et reservoir blev skabt ved hjælp af hydraulisk frakturering. I 2000 begyndte et 1-årigt cirkulationsforsøg. 15-20 kg/s vand ved en temperatur på 36 °C blev pumpet ind i injektionsbrønden, og 5 kg/s ved en temperatur på 163 °C og 4 kg/s ved en temperatur på 172 °C blev returneret fra to produktionsbrønde. Den samlede termiske effekt var 8 MW. I slutningen af ​​forsøget blev en elektrisk generator med en kapacitet på 130 kW lanceret. [33]

Sverige

I 1984 blev Fjällbacka petrotermiske GCC-projektet, nord for Uddevalla , startet . En opsamler blev oprettet i en dybde på ca. 0,5 km, og cirkulationstest blev udført. [25]

Rusland

Fra 2016 opererer GCC'er i Rusland ved Ternairsky- og Kizlyarsky-forekomsterne af termiske farvande i Dagestan . [9]

Det økonomiske potentiale for termiske vandaflejringer i Rusland anslås til 50,1 millioner tons brændstofækvivalent. /år med traditionel springvandsdrift, og 114,9 mio. tons brændstofækvivalent/år - med GCS-drift. [3]

El Salvador

Bygget i 1992 i Tekapa vulkanske kompleks nåede Berlin GCC kraftværket efter kemisk stimulering af brønde en elektrisk effekt på 109,4 MW. [34]

Schweiz

I 1996 blev projekter iværksat for at skabe petrotermiske GCC-kraftværker i Basel ( Deep Heat Mining Basel ) og Genève [25] .

Østrig

I 1997 blev Altheim geotermiske system omdannet til GCC. I 2000 lancerede den en binær elproduktionsenhed. Da solfangerens udløbsvandtemperatur kun er 106°C, bruger den en lav-enthalpi fluorcarbon-baseret varmeoverførselsvæske som arbejdsvæske, hvilket gør det muligt at opnå en elektrisk effekt på 1 MW (med en termisk effekt på 12,4) MW). [35]

Australien

Siden 1999 er Hunter Valley-projektet [25] blevet udviklet i Australien .

I 2003 borede Cooper Basin-projektet i South Australia brønde til en dybde på omkring 4 km, hvor temperaturen var omkring 250 °C. Under forsøg med cirkulation var temperaturen af ​​kølevæsken ved udløbet 210 °C, med et flow på 25 kg/s. [36]

Canada

I 2019, i nærheden af ​​byen Rocky Mountain House i den canadiske provins Alberta , Eavor Technologies Inc. en demonstration petrotermisk GCC Eavor-Lite blev bygget. Det adskiller sig fra andre petrotermiske projekter ved, at det underjordiske reservoir udelukkende blev skabt ved boring, uden brug af hydraulisk frakturering. Vertikale injektions- og produktionsbrønde er placeret i en afstand af 2,5 km fra hinanden. I en dybde på 2,4 km er de forbundet med hinanden af ​​to multilaterale vandrette brønde. Boring blev udført ved hjælp af teknologier, der anvendes i olie- og gasindustrien. [37] [38]

Noter

  1. ↑ 1 2 3 Pashkevich, 2015 , s. 388.
  2. ↑ Breede, 2015 , s. tyve.
  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. ↑ Europæerne var bange for varmen i jordens indre. Økologer er i panik.
  14. ↑ 2017 Korea jordskælv udløst af geotermisk kraftværk.
  15. ↑ Breede, 2013 .
  16. ↑ 1 2 Gnatus, 2013 , s. elleve.
  17. ↑ Pashkevich, 2015 , s. 390-391.
  18. ↑ Jefferson, 2006 , s. 1.21.
  19. ↑ Hnatus, 2013 , s. 12.
  20. ↑ N.A. Babushkin. Udsigter for brugen af ​​geotermisk energi i Rusland  // Young Thought: Science. Teknologi. Innovation. - 2009. - S. 218 .
  21. ↑ DTNA Gnus. Die Wärmeenergie der Erde ist die Basis des zukünftigen Energiesystems  (tysk) . aycateknik.com . Hentet: 3. september 2019.
  22. ↑ 1 2 3 Jefferson, 2006 , s. 4,26-4,31.
  23. ↑ Nicolas Cuenot, Louis Dorbath, Michel Frogneux, Nadège Langet. Mikroseismisk aktivitet induceret under cirkulationsforhold ved EGS-projektet i Soultz-Sous-Forêts (Frankrig  )  // Proceedings World Geothermal Conference. - 2010. - Januar.
  24. ↑ Justine MOUCHOT, Albert GENTER, Nicolas CUENOT, Olivier SEIBEL, Julia SCHEIBER, Clio BOSIA, Guillaume RAVIER. Første driftsår fra EGS geotermiske anlæg i Alsace, Frankrig: Skaleringsproblemer  //  43rd Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. - Stanford, Californien: Stanford University, 2018. - 12.-14. februar. - 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. ↑ Verdens første virkelig skalerbare form for Green Baseload Power demonstreret af Eavor Technologies Inc.  (engelsk)  (utilgængeligt link) . Eavor (5. februar 2020). Hentet 30. juni 2020. Arkiveret fra originalen 1. juli 2020.
  38. ↑ Den første af sin slags geotermiske pilot til at producere pålidelig basebelastningskraft  . Emissionsreduktion Alberta . Hentet 30. juni 2020. Arkiveret fra originalen 2. juli 2020.

Litteratur

  • Alkhasov A.B. Vedvarende energikilder. - M . : MPEI Publishing House, 2016. - ISBN 978-5-383-00960-4 .
  • Gnatus N.A. Åbent seminar "Økonomiske problemer i energikomplekset" (seminar ved A.S. Nekrasov). Petrotermisk energi i Rusland. Udsigter for efterforskning og udvikling. - M. : INP RAS Publishing House, 2013.
  • Pashkevich R.I. , Pavlov K.A. Den nuværende tilstand af brugen af ​​cirkulerende geotermiske systemer til varme- og strømforsyning // Mineinformation og analytisk bulletin: videnskabeligt og teknisk tidsskrift. - Minebog, 2015. - S. 388-399 . — ISSN 0236-1493 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Liu X. , Falcone G. En systematisk gennemgang af forbedrede (eller konstruerede) geotermiske systemer: fortid, nutid og fremtid  //  Geoterm energi. - 2013. - Nej. 1:4 . - doi : 10.1186/2195-9706-1-4 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Falcone G. Overvindelse af udfordringer i klassificeringen af ​​dybt geotermisk potentiale  //  Geotermisk energividenskab. - 2015. - Nej. 3 . - S. 19-39 . - doi : 10.5194/gtes-3-19-2015 .
  • Geotermisk energis fremtid. Indvirkningen af ​​Enhanced Geothermal Systems (EGS) på USA i det 21. århundrede . - Massachusetts Institute of Technology, 2006. - ISBN 0-615-13438-6 . Arkiveret fra originalen den 10. marts 2011.

Links