Geotermikus keringtető rendszer

A geotermikus keringtető rendszer (GCS) egy olyan rendszer, amely hőenergiát von ki a Föld belsejéből, hogy azt hőellátásra vagy villamosenergia-termelésre használja fel. Abban különbözik a hagyományos geotermikus rendszerektől, hogy az elhasznált hűtőfolyadékot visszaszivattyúzzák a föld alá.

Terminológia

A "geotermikus cirkulációs rendszer" fogalmát az 1970-es években O. A. Kremnev , Yu. D. Dyadkin és A. N. Shcherban szovjet bányászati ​​hőfizikusok vezették be [1] .

Az angol szakirodalomban az enhanced (vagy engineered) geothermal system (EGS) kifejezést olyan geotermikus keringési rendszerekre használják, amelyeknél mesterséges rezervoárstimulációt alkalmaztak [1] . Ezt a koncepciót M. Grassiani, Z. Krieger és H. Legmann kutatók javasolták 1999-ben. [2] .

Hogyan működik

A GCC működési elve a következő. Termelő kúton keresztül a hűtőfolyadékot (általában szennyezett vizet) vonják ki a kitermelt víztartóból (földalatti tározóból) a felszínre. Ezt követően a hűtőfolyadék hőjét eltávolítják, majd egy szivattyú segítségével a befecskendező kúton keresztül visszapumpálják a tartályba. [3]

Attól függően, hogy a tározóban természetes eredetű geotermikus vizek vannak jelen, a GCC lehet hidrotermális vagy petrotermikus . Ez utóbbi esetben mesterségesen csatornákat kell létrehozni a kőzetben a hűtőfolyadék keringéséhez, és külső forrásból vizet kell szivattyúzni bele. [négy]

A kőzetek áteresztőképességének növelésére és a hőelvonási felület növelésére mesterséges stimulációs módszereket alkalmaznak, amelyek közül a legelterjedtebb a masszívum hidraulikus repesztése és a fenéklyuk zóna savas kezelése. [5]

A kommunikációban a korrózió és a vízkőképződés elkerülése érdekében kétkörös sémát alkalmaznak: a geotermikus folyadék hőcserélőn keresztül adják át a hőt egy külön körben keringő tiszta víznek [6] . A keletkező hő fűtésre és gőzturbina segítségével villamos energia előállítására is felhasználható. A GCS-t azonban csak akkor célszerű erőműként használni, ha a hűtőfolyadék hőmérséklete nem alacsonyabb 100 °C-nál [7] .

Előnyök és hátrányok

A GCC-nek jelentős előnyei vannak a hagyományos geotermikus rendszerekkel szemben:

Van azonban néhány hátrányuk is:

Formáció hűtése

A lehűtött hűtőfolyadék újbóli befecskendezése következtében a tartály idővel elkerülhetetlenül lehűl. Emiatt az állomás teljesítménye csökken.

A GCS működésének 2 fázisa van:

  1. Az első fázis az, amikor a hűtőfolyadék hőmérséklete a föld alatti tartály kimeneténél megközelíti a formáció kezdeti hőmérsékletét.
  2. A második fázis akkor kezdődik, amikor a hűtőközeg hőmérséklete alacsonyabb lesz, mint a kezdeti képződési hőmérséklet, és akkor ér véget, amikor a hűtőközeg hőmérséklete a kollektor kimeneténél megközelíti a hűtőközeg hőmérsékletét a kollektor bemeneténél. Ezt követően a rendszer további működése lehetetlenné válik.

A GCS üzemideje a következő képlettel számítható ki:

ahol  az idő, s,  a képződmény hőkapacitása, kJ/kg,  a termálvíz sűrűsége a kutakban, kg/m 3 ,  a képződmény vastagsága, m,  a besajtoló és a termelő kutak távolsága, m,  a képződményben lévő víz hőkapacitása, kJ kg,  a keringtető rendszer áramlási sebessége, kg/s. [tíz]

2006-ban a GCC élettartamát 20-30 évre becsülték, 6 évente tározóstimuláció mellett [11] .

Indukált szeizmicitás

A geotermikus rendszerek kollektorainak stimulálása földrengéseket válthat ki. A maximális szeizmikus aktivitás elérheti a 3,0-3,7 egységet a Richter-skála szerint [12] .

Hasonló földrengések történtek Svájcban, Németországban és más országokban [13] . 2017-ben 5,4 -es erősségű földrengés történt Dél-Koreában [14] .

Az új technológiák alkalmazása azonban jelentősen csökkentheti a szeizmikus aktivitást a hidraulikus rétegrepesztés során [12] .

Történelmi és jelenlegi GVC-k

2013-ig 20 mesterségesen stimulált tározóval rendelkező GVC projekt valósult meg a világon, ebből 14 üzemelő erőmű volt, 8 pedig fejlesztés alatt állt [15] . Több száz természetes kollektoros hőellátó GCC-t hoztak létre [16] .

GCC-k létrehozására és működtetésére irányuló projektek léteztek vagy léteznek az USA-ban, Nagy-Britanniában, Németországban, Ausztráliában, Franciaországban, Japánban, Svédországban, Olaszországban, El Salvadorban, Svájcban, Kínában, Ausztráliában [17] [18] [19] .

Franciaország

Az első porózus kőzetek hőjét használó GCS-t 1963-ban építették Párizsban , és a Brodkastin Chaos komplexum fűtésére volt hivatott. [20] [21] [16]

Soultz-sous-Forêts

Az 1980-as évek közepén közös francia-német-UK projekt indult egy petroltermikus GCC építésére Soultz-sous- Foretben . Később olasz, svájci és norvég tudóscsoportok is csatlakoztak hozzá, illetve amerikai és japán tudósok is részt vettek benne.

1991-re 2,2 km mélységig fúrtak kutakat, és elvégezték a tározó hidraulikus stimulációját. Azonban nagy folyadékveszteség volt. Mint utóbb megállapították, ez annak köszönhető, hogy az itteni 2-3 km mélységben lévő kőzetekben nagyszámú természetes eredetű törés, törés volt, ahol a folyadék kiszivárgott. [22]

1995-re 3,9 km mélységű kutakat fúrtak, ahol a hőmérséklet 168 °C volt. Hidraulikus rétegrepesztés segítségével tározót hoztak létre, amely után megkezdődtek a cirkulációs kísérletek. Az előállított víz hőmérséklete 136 °C, a besajtolt víz hőmérséklete 40 °C, hőteljesítménye 9 MW. 1997-ben további ösztönzők után a hőteljesítmény elérte a 10 MW-ot, miközben a szivattyúberendezések mindössze 250 kW-ot igényeltek. A 25 kg/s-os cirkulációs kísérlet 4 hónapig tartott, hűtőfolyadék veszteség nem volt. [22]

Később ipari vállalatok is csatlakoztak a projekthez. 2003-ra a kutakat 5,1 km-re mélyítették. [22] Többféle hidraulikus és kémiai stimuláció segítségével kollektort hoztak létre, 2005–2008-ban keringési tesztek sorozatát végezték el, amelyek során kb. 160 °C hőmérsékletű hűtőfolyadékot lehetett előállítani a a kollektor kimenete. [23] Az erőmű építését 2016 szeptemberében kezdték meg és indították el, és azóta is folyamatosan sikeresen üzemel. Villamos teljesítménye 1,7 MW. [24]

Későbbi projektek

Az 1980-as évek végén egy projekt indult egy petroltermikus GCC létrehozására Vichy közelében . Körülbelül 800 m mély kutakat fúrtak és stimuláltak, majd keringési teszteket végeztek. [25]

2014-ben a Guadeloupe - szigeteken található Bouillante geotermikus mező átkerült a GCC technológiájába . Ezt megelőzően a hulladék geotermikus vizet a tengerbe dobták. A vulkáni tevékenységnek köszönhetően itt már 320 m mélységben a hőmérséklet eléri a 250 °C-ot. A rendszer hőteljesítménye 15,75 MW. [26]

Egyesült Államok

Fenton Hill

Az első geotermikus keringtető rendszert, amely hőt von ki vízhatlan kőzetekből, az új-mexikói Los Alamos Nemzeti Laboratórium építette a Fenton Hill projekt során [1] . A projekt 1974-ben indult. A tározó létrehozásához hidraulikus repesztési technológiát alkalmaztak. Az első tározó mélysége körülbelül 2,7 km, a kőzetek hőmérséklete körülbelül 180 °C volt. 1977 és 1980 között 5 kísérleti kilövést hajtottak végre, összesen 417 napig. A hőteljesítmény 3 és 5 MW között mozgott, ami lehetővé tette a gőzturbina generátor teljesítményének 60 kW elérését.

Ezt követően 4,4 km-ig kutakat fúrtak, ahol a hőmérséklet elérte a 327 °C-ot. A második kollektor 1986-ban 30 napig teszt üzemmódban üzemelt. A kollektorból kiszívott víz hőmérséklete 192°C volt. A befecskendező kútban a nyomás 26,9 és 30,3 MPa között volt.

1992-ben újabb próbaindítást hajtottak végre. 112 napos működés után a rendszer leállt a nyomószivattyú meghibásodása miatt. Az első 55 napban a termelőkút vízhőmérséklete meghaladta a 180 °C-ot, később csökkenni kezdett.

2000-ben a finanszírozási megszorítások miatt a projektet lezárták. [27]

Későbbi projektek

Számos hidrotermális GCC projektet valósítottak meg az USA-ban, különösen a Coso (2001), a Desert Peak (2001), a Glass Mountain, a Geysers-Clear Lake [28] .

Egyesült Királyság

Rosemanowes Quarry

1977-ben Cornwallban elindították a Quarry GCC kísérleti projektjét Szándékosan 100°C-ig terjedő kőzethőmérsékletre korlátozták, hogy elkerüljék a fúrási problémákat. 1983-ban 2,6 km mélyen fúrtak besajtoló és termelő kutat, ahol a hőmérséklet elérte a 100 °C-ot. A gránittömb hidraulikus repesztését végezték el, és 1985-ben megindult a hűtőfolyadék keringése. 4 évig tartott, az átlagos hűtőfolyadék áramlás 20-25 kg/s volt, a hőmérséklet a kollektor kimeneténél kezdetben 80,5°C volt, a végén 70,5°C-ra csökkent. Tekintettel arra, hogy a stimuláció során sikertelen törésmintázat alakult ki, jelentős hűtőfolyadék-veszteségek jelentkeztek, ráadásul túl gyorsan, kellő hőt nem kapott a befecskendezési kútból a termelőkútba. [29]

Németország

1976-1978-ban a Falkenberg projektet Bajorországban hajtották végre . Körülbelül 450 m mélységben kollektort alakítottak ki, és 3-4 kg/s áramlási sebességgel keringési vizsgálatokat végeztek. A projekt 1983-ig tartott. [25]

1977-ben indult el a Bad Urach projekt a Sváb-Alpokban , Stuttgart közelében . A kutakat 3,5 km mélységig fúrták és stimulálták, majd sikeres keringési teszteket végeztek. A projekt alapján egy erőművet hoztak létre. [25]

2003-ban valósult meg a Neustadt-Glewe GCC erőmű projekt ( Neustadt-Glewe ), amelynek elektromos teljesítménye 230 kW [30] .

2003- ban indult a Landau projekt , 3,3 km mélységig fúrtak kutakat, ahol a hőmérséklet körülbelül 160 °C. Hidraulikus és kémiai stimulációt végeztek. 2007-ben egy 3 MW villamos teljesítményű bináris erőművet indítottak. Az oda belépő hűtőközeg hőmérséklete 160 °C, az elhasznált hűtőközeg hőmérséklete 70-80 °C és kb. 8000 épület fűtésére szolgál, majd kb. 50 °C hőmérsékletű és visszaszivattyúzzák a gyűjtő. [31]

Németországban is vannak Horstberg (2003), Offenbach [25] kereskedelmi projekt , Bruchal, Insheim , Genesys, Hannover [32] projektek .

Szovjetunió

1981 és 1990 között a GCS folyamatosan üzemelt a Groznij régióban található Khankala termálvizek lelőhelyén . A Teplicsny üzem üvegház-komplexumának fűtésére használták. [9]

Japán

1982-ben az Ogachi projektet Akita prefektúrában indították el , egy vulkáni övezetben. 1992-re egy kutat fúrtak 1,1 km mélységig, ahol a hőmérséklet 240 ° C volt, és stimulációkat végeztek. A keringési kísérletek azonban kimutatták, hogy a kutak közötti rossz kapcsolat miatt a besajtolt víznek csak 3%-a kerül vissza. Számos ismételt stimuláció lehetővé tette ennek az értéknek a 25%-ra történő emelését. [33]

1989-ben elindult a Hijori projekt Yamagata prefektúrában . Körülbelül 2 km mélységű kutakat fúrtak, és hidraulikus rétegrepesztéssel tározót hoztak létre. 2000-ben egy 1 éves keringési kísérlet kezdődött. A besajtoló kútba 15-20 kg/s 36 °C-os vizet szivattyúztak, és 163 °C-on 5 kg/s-ot és 172 °C-on 4 kg/s-ot visszavezettek két vízből. termelő kutak. A teljes hőteljesítmény 8 MW volt. A kísérlet végén egy 130 kW teljesítményű elektromos generátort indítottak. [33]

Svédország

1984-ben indult el a Fjällbacka petrotermikus GCC projekt Uddevallától északra . Körülbelül 0,5 km mélységben gyűjtőt hoztak létre, és keringési vizsgálatokat végeztek. [25]

Oroszország

2016-tól a GCC-k Oroszországban működnek a dagesztáni Ternairsky és Kizlyarsky termálvizek lelőhelyein . [9]

Az oroszországi termálvíz-lelőhelyek gazdasági potenciálját 50,1 millió tonna üzemanyag-egyenértékre becsülik. /év hagyományos szökőkút üzemeltetéssel, és 114,9 millió tonna tüzelőanyag egyenérték/év - GCS üzemeltetéssel. [3]

El Salvador

A Tekapa vulkáni komplexumban 1992-ben épült berlini GCC erőmű a kutak kémiai stimulálása után 109,4 MW elektromos teljesítményt ért el. [34]

Svájc

1996-ban projektek indultak petrotermikus GCC erőművek létrehozására Bázelben ( Deep Heat Mining Basel ) és Genfben [25] .

Ausztria

1997-ben az Altheim geotermikus rendszerét GCC-vé alakították át. 2000-ben elindított egy bináris energiatermelő egységet. Mivel a kollektor kilépő vízhőmérséklete mindössze 106°C, munkaközegként alacsony entalpiájú fluor-szénhidrogén alapú hőátadó folyadékot használ, amely 1 MW villamos teljesítmény elérését teszi lehetővé (12,4 hőteljesítmény mellett). MW). [35]

Ausztrália

1999 óta Ausztráliában fejlesztik a Hunter Valley projektet [25] .

2003-ban a dél-ausztráliai Cooper-medence projekt mintegy 4 km-es mélységű kutakat fúrt, ahol a hőmérséklet körülbelül 250 °C volt. A cirkulációval végzett kísérletek során a hűtőfolyadék hőmérséklete a kimenetnél 210 °C volt, áramlási sebessége 25 kg/s. [36]

Kanada

2019-ben a kanadai Alberta tartomány Rocky Mountain House városának közelében az Eavor Technologies Inc. demonstrációs petroltermikus GCC Eavor-Lite épült. Abban különbözik a többi petroltermikus projekttől, hogy a föld alatti tározót kizárólag fúrással hozták létre, hidraulikus rétegrepesztés nélkül. A függőleges besajtoló és termelő kutak egymástól 2,5 km-re helyezkednek el. 2,4 km mélységben két többoldalú vízszintes kút köti össze őket. A fúrást az olaj- és gáziparban használt technológiákkal végezték. [37] [38]

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 Pashkevich, 2015 , p. 388.
  2. ↑ Fajta, 2015 , p. húsz.
  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 Pashkevich, 2015 , p. 395.
  13. ↑ Az európaiak féltek a föld belsejének melegétől. Az ökológusok pánikban vannak.
  14. ↑ 2017-es koreai földrengés, amelyet geotermikus erőmű váltott ki.
  15. ↑ Fajta, 2013 .
  16. ↑ 1 2 Gnatus, 2013 , p. tizenegy.
  17. ↑ Pashkevich, 2015 , p. 390-391.
  18. ↑ Jefferson, 2006 , p. 1.21.
  19. ↑ Hnatus, 2013 , p. 12.
  20. ↑ N.A. Babuskin. A geotermikus energia felhasználásának kilátásai Oroszországban  // Young Thought: Science. Technológia. Innováció. - 2009. - S. 218 .
  21. ↑ DTNA Gnus. Die Wärmeenergie der Erde ist die Basis des zukünftigen Energiesystems  (német) . aycateknik.com . Letöltve: 2019. szeptember 3.
  22. ↑ 1 2 3 Jefferson, 2006 , p. 4,26-4,31.
  23. ↑ Nicolas Cuenot, Louis Dorbath, Michel Frogneux, Nadège Langet. Mikroszeizmikus aktivitás indukált keringési körülmények között a Soultz-Sous-Forêts-i EGS-projektben (Franciaország  )  // Proceedings World Geothermal Conference. - 2010. - január.
  24. ↑ Justine MOUCHOT, Albert GENTER, Nicolas CUENOT, Olivier SEIBEL, Julia SCHEIBER, Clio BOSIA, Guillaume RAVIER. A franciaországi elzászi EGS geotermikus erőművek működésének első éve: Méretezési problémák  //  43. műhely a geotermikus tározók tervezéséről. - Stanford, Kalifornia: Stanford Egyetem, 2018. - február 12-14. - 1., 3. o .
  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Jefferson, 2006 , p. 4,36-4,42.
  26. ↑ Pashkevich, 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. ↑ Pashkevich, 2015 , p. 393.
  31. ↑ Pashkevich, 2015 , p. 393-394.
  32. ↑ Pashkevich, 2015 , p. 393, 395.
  33. ↑ 12. Jefferson , 2006 , p. 4,19-4,23.
  34. ↑ Pashkevich, 2015 , p. 392.
  35. ↑ Pashkevich, 2015 , p. 389-392.
  36. ↑ Jefferson, 2006 , p. 4,32-4,34.
  37. ↑ A Green Baseload Power világ első valóban méretezhető formája, amelyet az Eavor Technologies Inc. mutatott be.  (angol)  (elérhetetlen link) . Eavor (2020. február 5.). Letöltve: 2020. június 30. Az eredetiből archiválva : 2020. július 1.
  38. ↑ A maga nemében  az első geotermikus kísérleti berendezés megbízható alapterhelési teljesítmény előállításához . Kibocsátáscsökkentés Alberta . Letöltve: 2020. június 30. Az eredetiből archiválva : 2020. július 2.

Irodalom

  • Alkhasov A.B. Megújuló energiaforrások. - M . : MPEI Kiadó, 2016. - ISBN 978-5-383-00960-4 .
  • Gnatus N.A. Nyílt szeminárium "Az energiakomplexum gazdasági problémái" (A.S. Nekrasov szemináriuma). Petrotermikus energia Oroszországban. A feltárás és fejlesztés kilátásai. - M. : INP RAS Kiadó, 2013.
  • Pashkevich R.I. , Pavlov K.A. A keringő geotermikus rendszerek hő- és villamosenergia-ellátásra való felhasználásának jelenlegi állása // Bányászati ​​tájékoztató és elemző közlemény: tudományos és műszaki folyóirat. - Bányászkönyv, 2015. - S. 388-399 . — ISSN 0236-1493 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Liu X. , Falcone G. A fokozott (vagy mérnöki) geotermikus rendszerek szisztematikus áttekintése: múlt, jelen és jövő  //  Geotherm Energy. - 2013. - Nem. 1:4 . - doi : 10.1186/2195-9706-1-4 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Falcone G. Kihívások leküzdése a mélygeotermikus potenciál osztályozásában  //  Geotermikus energia tudomány. - 2015. - Nem. 3 . - 19-39 . o . - doi : 10.5194/gtes-3-19-2015 .
  • A geotermikus energia jövője. Az Enhanced Geothermal Systems (EGS) hatása az Egyesült Államokra a 21. században . - Massachusetts Institute of Technology, 2006. - ISBN 0-615-13438-6 . Az eredetiből archiválva: 2011. március 10.

Linkek