Geotermální cirkulační systém

Geotermální cirkulační systém (GCS) je systém pro získávání tepelné energie z útrob Země za účelem jejího využití pro dodávku tepla nebo výrobu elektřiny. Od tradičních geotermálních systémů se liší tím, že použité chladivo je čerpáno zpět pod zem.

Terminologie

Pojem „geotermální cirkulační systém“ byl zaveden v 70. letech 20. století sovětskými hornickými termálními fyziky O. A. Kremnevem , Yu. D. Dyadkinem a A. N. Shcherbanem [1] .

V anglické literatuře se termín zesílený (nebo inženýrsky upravený) geotermální systém (EGS) používá pro označení geotermálních cirkulačních systémů, na které byla aplikována umělá stimulace nádrží [1] . Tento koncept byl navržen v roce 1999 výzkumníky M. Grassiani, Z. Krieger a H. Legmann. [2] .

Jak to funguje

Princip fungování GCC je následující. Prostřednictvím těžebního vrtu je chladivo (obvykle voda s nečistotami) odváděno z těžené zvodně (podzemní nádrže) na povrch. Dále je odebíráno teplo chladicí kapaliny, načež je pomocí čerpadla čerpáno zpět do zásobníku přes vstřikovací šachtu. [3]

V závislosti na přítomnosti geotermálních vod přírodního původu v nádrži může být GCC hydrotermální nebo petotermální . V druhém případě je nutné v hornině uměle vytvořit kanály pro cirkulaci chladicí kapaliny a čerpat do ní vodu z vnějšího zdroje. [čtyři]

Pro zvýšení propustnosti hornin a zvětšení plochy povrchu odvádějícího teplo se používají umělé stimulační metody, z nichž nejrozšířenější jsou hydraulické štěpení masivu a kyselá úprava zóny dna. [5]

Aby se zabránilo korozi a usazování vodního kamene v komunikacích, používá se dvouokruhové schéma: geotermální tekutina předává teplo přes výměník tepla čisté vodě cirkulující v samostatném okruhu [6] . Vzniklé teplo lze využít jak pro vytápění, tak pro výrobu elektřiny pomocí parní turbíny. GCS je však vhodné používat jako elektrárnu pouze v případě, že teplota chladicí kapaliny není nižší než 100 °C [7] .

Výhody a nevýhody

GCC mají oproti tradičním geotermálním systémům významné výhody:

Mají však také některé nevýhody:

Chlazení formace

V důsledku opětovného vstřikování ochlazené chladicí kapaliny se zásobník časem nevyhnutelně ochladí. Z tohoto důvodu je výkon stanice snížen.

Provoz GCS má 2 fáze:

  1. První fáze je, když se teplota chladiva na výstupu z podzemního zásobníku blíží počáteční teplotě útvaru.
  2. Druhá fáze začíná, když teplota chladiva klesne pod počáteční teplotu tvorby a končí, když se teplota chladiva na výstupu z kolektoru blíží teplotě chladiva na vstupu do kolektoru. Poté je další provoz systému nemožný.

Provozní dobu GCS lze vypočítat podle vzorce:

kde  je čas, s,  je tepelná kapacita útvaru, kJ/kg,  je hustota termální vody ve vrtech, kg/m 3 ,  je tloušťka útvaru, m,  je vzdálenost mezi injektážními a těžebními vrty, m,  je tepelná kapacita vody ve souvrství, kJ kg,  je průtok cirkulačním systémem, kg/s. [deset]

V roce 2006 byla životnost GCC odhadnuta na 20–30 let, s výhradou stimulace nádrže každých 6 let [11] .

Indukovaná seismicita

Stimulace kolektorů geotermálních systémů může vyvolat zemětřesení. Maximální seismická aktivita může dosáhnout 3,0-3,7 jednotek na Richterově stupnici [12] .

K podobným zemětřesením došlo ve Švýcarsku, Německu a dalších zemích [13] . V roce 2017 došlo v Jižní Koreji k zemětřesení o síle 5,4 stupně [14] .

Použití nových technologií však může výrazně snížit seismickou aktivitu při hydraulickém štěpení [12] .

Historické a současné GVC

K roku 2013 bylo ve světě realizováno 20 projektů GVC s uměle stimulovanou nádrží, z toho 14 provozovaných elektráren a 8 ve vývoji [15] . Bylo vytvořeno několik stovek tepelných GCC s přirozeným kolektorem [16] .

Projekty na vytvoření a provoz GCC existovaly nebo existují v USA, Velké Británii, Německu, Austrálii, Francii, Japonsku, Švédsku, Itálii, Salvadoru, Švýcarsku, Číně, Austrálii [17] [18] [19] .

Francie

První GCS využívající teplo porézních hornin byl postaven v Paříži v roce 1963 a byl určen k vytápění komplexu Brodkastin Chaos. [20] [21] [16]

Soultz-sous-Forêts

V polovině 80. let 20. století byl zahájen společný francouzsko-německo-britský projekt na vybudování petrotermálního GCC v Soultz-sous-Foret . Později se k ní přidaly i skupiny vědců z Itálie, Švýcarska a Norska, podíleli se na ní i vědci z USA a Japonska.

Do roku 1991 byly provedeny vrty do hloubky 2,2 km a byla provedena hydraulická stimulace nádrže. Docházelo však k velkým ztrátám tekutin. Jak bylo později zjištěno, stalo se tak proto, že horniny v hloubce 2-3 km zde měly velké množství zlomů a zlomů přírodního původu, kudy kapalina unikala. [22]

Do roku 1995 byly provedeny vrty až do hloubky 3,9 km, kde byla teplota 168 °C. Pomocí hydraulického štěpení byla vytvořena nádrž, po které byly zahájeny cirkulační experimenty. Teplota vyrobené vody byla 136 °C, teplota vstřikované vody 40 °C, s tepelným výkonem 9 MW. V roce 1997 po dodatečných pobídkách dosáhl tepelný výkon 10 MW, přičemž čerpací zařízení vyžadovalo pouze 250 kW. Cirkulační experiment na úrovni 25 kg/s trval 4 měsíce, nedocházelo ke ztrátám chladiva. [22]

Později se do projektu zapojily průmyslové korporace. Do roku 2003 byly vrty prohloubeny na 5,1 km. [22] Pomocí několika hydraulických a chemických stimulací byl vytvořen kolektor, v letech 2005–2008 byla provedena série cirkulačních zkoušek, při kterých bylo možné získat chladivo o teplotě cca 160 °C při výstup kolektoru. [23] Výstavba elektrárny byla zahájena a zahájena v září 2016 a od té doby je úspěšně nepřetržitě provozována. Jeho elektrický výkon je 1,7 MW. [24]

Následné projekty

Koncem 80. let 20. století byl zahájen projekt vytvoření petrotermálního GCC poblíž Vichy . Vrty byly vyvrtány asi 800 m hluboko a stimulovány, poté byly provedeny cirkulační testy. [25]

V roce 2014 bylo geotermální pole Bouillante na ostrovech Guadeloupe převedeno na technologii GCC . Předtím byla odpadní geotermální voda vypouštěna do moře. Díky sopečné činnosti zde již v hloubce 320 m dosahuje teplota 250 °C. Tepelný výkon systému je 15,75 MW. [26]

Spojené státy americké

Fenton Hill

První geotermální cirkulační systém, který získával teplo z nepropustných hornin, byl postaven Národní laboratoří Los Alamos v Novém Mexiku během projektu Fenton Hill [1] . Projekt byl zahájen v roce 1974. K vytvoření nádrže byla použita technologie hydraulického štěpení. Hloubka první nádrže byla asi 2,7 km, teplota hornin byla asi 180 °C. Od roku 1977 do roku 1980 bylo provedeno 5 experimentálních startů s celkovou délkou trvání 417 dní. Tepelný výkon se pohyboval od 3 do 5 MW, což umožnilo získat 60 kW na výkonu parního turbínového generátoru.

Následně byly provedeny vrty až do 4,4 km, kde teplota dosáhla 327 °C. Druhý kolektor v roce 1986 byl provozován ve zkušebním režimu po dobu 30 dnů. Teplota vody odebrané z kolektoru byla 192 °C. Tlak ve vstřikovací šachtě se pohyboval od 26,9 do 30,3 MPa.

Další zkušební start byl proveden v roce 1992. Po 112 dnech provozu byl systém odstaven z důvodu poruchy tlakového čerpadla. Během prvních 55 dnů přesáhla teplota vody z těžebního vrtu 180 °C, později začala klesat.

V roce 2000 byl projekt kvůli škrtům ve financování uzavřen. [27]

Následné projekty

V USA bylo realizováno několik hydrotermálních projektů GCC, zejména Coso (2001), Desert Peak (2001), Glass Mountain, Geysers-Clear Lake [28] .

Spojené království

Rosemanowes Quarry

v Cornwallu pilotní projekt petrothermal GCC v Rosemanowes Quarry Záměrně byla omezena na teploty horniny do 100 °C, aby se předešlo problémům s vrtáním. V roce 1983 byl vyvrtán injekční a těžební vrt do hloubky 2,6 km, kde teplota dosahovala 100 °C. Bylo provedeno hydraulické štěpení žulového masivu a v roce 1985 byla zahájena cirkulace chladicí kapaliny. Trval 4 roky, průměrný průtok chladiva byl 20–25 kg/s, teplota na výstupu z kolektoru byla zpočátku 80,5 °C a na konci klesla na 70,5 °C. Vzhledem k tomu, že při stimulaci vznikl neúspěšný lomový obrazec, docházelo k výrazným ztrátám chladiva, navíc se ze vstřikovacího vrtu dostalo do výrobního vrtu příliš rychle, aniž by dostalo dostatek tepla. [29]

Německo

V letech 1976-1978 byl v Bavorsku realizován projekt Falkenberg . Kolektor byl vytvořen v hloubce cca 450 ma byly provedeny cirkulační zkoušky s průtokem 3–4 kg/s. Projekt pokračoval až do roku 1983. [25]

V roce 1977 byl ve Švábských Alpách poblíž Stuttgartu zahájen projekt Bad Urach . Studny byly vyvrtány do hloubky 3,5 km a stimulovány, poté následovaly úspěšné testy oběhu. Na základě tohoto projektu vznikla elektrárna. [25]

V roce 2003 byl realizován projekt elektrárny Neustadt-Glewe GCC ( Neustadt-Glewe ) s elektrickým výkonem 230 kW [30] .

V roce 2003 byl zahájen projekt Landau s vrty vrtanými do hloubky 3,3 km, kde je teplota asi 160 °C. Byla provedena hydraulická a chemická stimulace. V roce 2007 byla spuštěna binární elektrárna o elektrickém výkonu 3 MW. Teplota chladiva, které do něj vstupuje, je 160 °C, použité chladivo má teplotu 70-80 °C a používá se k vytápění asi 8000 budov, poté má teplotu asi 50 °C a je čerpáno zpět do kolektor. [31]

Také v Německu existují projekty Horstberg (2003), komerční projekt Offenbach [25] , Bruchal, Insheim , Genesys, Hannover [32] .

SSSR

Od roku 1981 do roku 1990 byl GCS nepřetržitě provozován na ložisku termálních vod Khankala v oblasti Groznyj . Sloužil k vytápění skleníkového komplexu závodu Teplichny. [9]

Japonsko

V roce 1982 byl zahájen projekt Ogachi v prefektuře Akita , ve vulkanické zóně. Do roku 1992 byl vyvrtán vrt do hloubky 1,1 km, kde byla teplota 240 °C, a byly prováděny stimulace. Experimenty s cirkulací však ukázaly, že kvůli špatnému spojení mezi studnami se vrací pouze 3 % vstřikované vody. Několik opakovaných stimulací umožnilo zvýšit tuto hodnotu na 25 %. [33]

V roce 1989 byl zahájen projekt Hijori v prefektuře Yamagata . Byly provedeny vrty do hloubky asi 2 km a pomocí hydraulického štěpení byla vytvořena nádrž. V roce 2000 začal 1-letý cirkulační experiment. Do injektážního vrtu bylo čerpáno 15–20 kg/s vody o teplotě 36 °C a ze dvou 5 kg/s o teplotě 163 °C a 4 kg/s o teplotě 172 °C. těžební vrty. Celkový tepelný výkon byl 8 MW. Na konci experimentu byl spuštěn elektrický generátor o výkonu 130 kW. [33]

Švédsko

V roce 1984 byl zahájen projekt petrothermal GCC Fjällbacka severně od Uddevally . V hloubce cca 0,5 km byl vytvořen kolektor a byly provedeny cirkulační zkoušky. [25]

Rusko

Od roku 2016 působí GCC v Rusku na ložiskách termálních vod Ternairsky a Kizlyarsky v Dagestánu . [9]

Ekonomický potenciál ložisek termální vody v Rusku se odhaduje na 50,1 milionů tun ekvivalentu paliva. /rok s tradičním provozem fontán a 114,9 mil. tun ekvivalentu paliva/rok - s provozem GCS. [3]

El Salvador

Berlínská elektrárna GCC, postavená v roce 1992 ve vulkanickém komplexu Tekapa , dosáhla po chemické stimulaci vrtů elektrického výkonu 109,4 MW. [34]

Švýcarsko

V roce 1996 byly zahájeny projekty na vytvoření petrotermálních GCC elektráren v Basileji ( Deep Heat Mining Basel ) a Ženevě [25] .

Rakousko

V roce 1997 byl geotermální systém Altheim přeměněn na GCC. V roce 2000 uvedla na trh binární jednotku na výrobu elektřiny. Vzhledem k tomu, že výstupní teplota vody kolektoru je pouze 106°C, využívá jako pracovní kapalinu nízkoentalpickou teplonosnou kapalinu na bázi fluorouhlovodíků, která umožňuje dosáhnout elektrického výkonu 1 MW (s tepelným výkonem 12,4 MW). [35]

Austrálie

Od roku 1999 byl v Austrálii vyvíjen projekt Hunter Valley [25] .

V roce 2003 provedl projekt Cooper Basin v jižní Austrálii vrty do hloubky asi 4 km, kde byla teplota asi 250 °C. Při experimentech s cirkulací byla teplota chladiva na výstupu 210 °C s průtokem 25 kg/s. [36]

Kanada

V roce 2019 v blízkosti města Rocky Mountain House v kanadské provincii Alberta společnost Technologies Inc. byla postavena demonstrační petrotermální GCC Eavour-Lite. Od ostatních petrotermických projektů se liší tím, že podzemní nádrž vznikla výhradně vrtáním, bez použití hydraulického štěpení. Vertikální injektážní a těžební vrty jsou umístěny ve vzdálenosti 2,5 km od sebe. V hloubce 2,4 km jsou vzájemně propojeny dvěma mnohostrannými horizontálními vrty. Vrtání bylo prováděno technologiemi používanými v ropném a plynárenském průmyslu. [37] [38]

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 Paškevič, 2015 , str. 388.
  2. ↑ Plemeno, 2015 , str. dvacet.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Alkhasov, 2016 , str. 103.
  4. ↑ Alkhasov, 2016 , str. 108.
  5. ↑ 1 2 Alkhasov, 2016 , str. 105.
  6. ↑ Alkhasov, 2016 , str. 85.
  7. ↑ 1 2 Alkhasov, 2016 , str. 112.
  8. ↑ Alkhasov, 2016 , str. 102, 110.
  9. ↑ 1 2 3 Alkhasov, 2016 , str. 104.
  10. ↑ Alkhasov, 2016 , str. 103-105.
  11. ↑ Jefferson, 2006 , str. 1.29.
  12. ↑ 1 2 Paškevič, 2015 , str. 395.
  13. ↑ Evropané se báli tepla zemského nitra. Ekologové jsou v panice.
  14. ↑ Zemětřesení v Koreji v roce 2017 vyvolané geotermální elektrárnou.
  15. ↑ Plemeno, 2013 .
  16. ↑ 1 2 Gnatus, 2013 , str. jedenáct.
  17. ↑ Paškevič, 2015 , str. 390-391.
  18. ↑ Jefferson, 2006 , str. 1.21.
  19. ↑ Hnatus, 2013 , str. 12.
  20. ↑ N.A. Babuškin. Vyhlídky na využití geotermální energie v Rusku  // Young Thought: Science. Technika. Inovace. - 2009. - S. 218 .
  21. ↑ DTNA Gnus. Die Wärmeenergie der Erde ist die Basis des zukünftigen Energiesystems  (německy) . aycateknik.com . Staženo: 3. září 2019.
  22. ↑ 1 2 3 Jefferson, 2006 , str. 4,26-4,31.
  23. ↑ Nicolas Cuenot, Louis Dorbath, Michel Frogneux, Nadège Langet. Mikroseismická aktivita indukovaná za podmínek cirkulace v projektu EGS v Soultz-Sous-Forêts (Francie  )  // Sborník příspěvků ze světové geotermální konference. - 2010. - leden.
  24. ↑ Justine MOUCHOT, Albert GENTER, Nicolas CUENOT, Olivier SEIBEL, Julia SCHEIBER, Clio BOSIA, Guillaume RAVIER. První rok provozu geotermálních elektráren EGS v Alsasku ve Francii: Problémy s měřítkem  //  43. workshop o inženýrství geotermálních nádrží. - Stanford, Kalifornie: Stanford University, 2018. - 12.-14. února. - str. 1, 3 .
  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Jefferson, 2006 , str. 4,36-4,42.
  26. ↑ Paškevič, 2015 , str. 389.
  27. ↑ Jefferson, 2006 , str. 4,7-4,13.
  28. ↑ Jefferson, 2006 , str. 4.35.
  29. ↑ Jefferson, 2006 , str. 4.14-4.18.
  30. ↑ Paškevič, 2015 , str. 393.
  31. ↑ Paškevič, 2015 , str. 393-394.
  32. ↑ Paškevič, 2015 , str. 393, 395.
  33. ↑ 12 Jefferson , 2006 , str. 4,19-4,23.
  34. ↑ Paškevič, 2015 , str. 392.
  35. ↑ Paškevič, 2015 , str. 389-392.
  36. ↑ Jefferson, 2006 , str. 4,32-4,34.
  37. ↑ Světově první skutečně škálovatelná forma Green Baseload Power demonstrovaná společností Eavor Technologies Inc.  (anglicky)  (nedostupný odkaz) . Eavour (5. února 2020). Staženo 30. června 2020. Archivováno z originálu 1. července 2020.
  38. ↑ První svého druhu geotermální pilot produkující spolehlivou energii základního zatížení  . Snížení emisí Alberta . Získáno 30. června 2020. Archivováno z originálu dne 2. července 2020.

Literatura

  • Alkhasov A.B. Obnovitelné zdroje energie. - M . : Nakladatelství MPEI, 2016. - ISBN 978-5-383-00960-4 .
  • Gnatus N.A. Otevřený seminář "Ekonomické problémy energetického komplexu" (seminář A.S. Nekrasova). Petrotermální energie v Rusku. Vyhlídky na průzkum a rozvoj. - M. : Nakladatelství INP RAS, 2013.
  • Paškevič R.I. , Pavlov K.A. Současný stav využití cirkulačních geotermálních systémů pro zásobování teplem a elektrickou energií // Hornický informační a analytický bulletin: vědecký a technický časopis. - Hornická kniha, 2015. - S. 388-399 . — ISSN 0236-1493 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Liu X. , Falcone G. Systematický přehled vylepšených (nebo upravených) geotermálních systémů: minulost, přítomnost a budoucnost  //  Geotermální energie. - 2013. - Ne. 1:4 . - doi : 10.1186/2195-9706-1-4 .
  • Breede K. , Dzebisashvili K. , Falcone G. Překonávání výzev v klasifikaci hlubokého geotermálního potenciálu  //  Věda o geotermální energii. - 2015. - Ne. 3 . - str. 19-39 . - doi : 10.5194/gtes-3-19-2015 .
  • Budoucnost geotermální energie. Dopad vylepšených geotermálních systémů (EGS) na Spojené státy v 21. století . - Massachusetts Institute of Technology, 2006. - ISBN 0-615-13438-6 . Archivováno z originálu 10. března 2011.

Odkazy