Horká suchá geotermální energie - Hot dry rock geothermal energy - Wikipedia

Hot dry rock (HDR) je bohatým zdrojem geotermální energie k dispozici pro použití. Obrovská zásoba tepelné energie je obsažena v horkých - ale v podstatě suchých - nepropustných krystalických sklepních skalách, které se nacházejí téměř všude hluboko pod povrchem Země.[1] Koncept těžby užitečného množství geotermální energie z HDR vznikl na Národní laboratoř Los Alamos v roce 1970 a laboratorním vědcům byl udělen americký patent, který jej pokrývá.[2]

Přehled

Ačkoli je často zaměňována s relativně omezeným hydrotermálním zdrojem, který je již do značné míry komercializován, geotermální energie HDR je velmi odlišná.[3] Zatímco výroba hydrotermální energie může využívat pouze horké tekutiny, které jsou již v zemské kůře, systém HDR (skládající se z tlakové nádrže HDR, vrtů vyvrtaných z povrchu a povrchových vstřikovacích čerpadel a souvisejících instalací) získává zemské teplo z horkých ale suché oblasti prostřednictvím cirkulace uzavřené smyčky stlačené tekutiny. Tato tekutina, vstřikovaná z povrchu pod vysokým tlakem, otevírá již existující spáry ve sklepě sklepa a vytváří umělou nádrž, která může mít velikost až kubický kilometr. Tekutina vstřikovaná do zásobníku absorbuje tepelnou energii z vysokoteplotních horninových povrchů a poté slouží jako dopravník pro přenos tepla na povrch pro praktické použití.

Dějiny

Myšlenku těžby horkých horkých suchých hornin popsal Konstantin Tsiolkovskij (1898), Charles Parsons (1904), Vladimir Obruchev (1920).[4]

V roce 1963 v Paříž, byl postaven geotermální systém vytápění využívající teplo přírodních lomových hornin.[4]

Projekt Fenton Hill je prvním systémem pro těžbu HDR geotermální energie z umělé nádrže; byl vytvořen v roce 1977.[4]

Technologie

Plánování a kontrola

Vzhledem k tomu, že nádrž je tvořena dilatací tlaků kloubů, vede elastická odezva okolního horninového masivu k oblasti těsně stlačené, utěsněné horniny na obvodu - což činí nádrž HDR zcela uzavřenou a uzavřenou. Takový zásobník je proto plně navržen tak, že fyzikální vlastnosti (velikost, hloubka, ve které je vytvořen) a také provozní parametry (vstřikovací a výrobní tlaky, výrobní teplota atd.) Mohou být předem naplánovány a pečlivě kontrolovány.

Vrtání a natlakování

Jak popsal Brown,[5] HDR geotermální energetický systém byl vyvinut nejprve za použití konvenčního vrtání pro přístup do oblasti hlubokého, horkého sklepa. Jakmile je určeno, že vybraná oblast neobsahuje žádné otevřené chyby nebo spáry (zdaleka nejběžnější situace), je izolovaný úsek prvního vrtu natlakován na dostatečně vysokou úroveň, aby bylo možné otevřít několik sad dříve utěsněných spár ve skalním masivu. Kontinuálním čerpáním (hydraulickou stimulací) se vytváří velmi velká oblast stimulované horniny (nádrž HDR), která se skládá ze vzájemně propojeného pole společných cest proudění uvnitř horninového masivu. Otevření těchto cest proudění způsobuje pohyb podél tlakově aktivovaných kloubů a generuje seismické signály (mikroevětřesení). Analýza těchto signálů poskytuje informace o umístění a rozměrech vyvíjené nádrže.

Produkční studny

Zásobník HDR se obvykle tvoří ve tvaru elipsoid s nejdelší osou ortogonální na nejméně hlavní stres Země. Tato oblast stimulovaná tlakem je poté přístupná dvěma produkčními jamkami vyvrtanými tak, aby protínaly nádrž HDR poblíž podlouhlých konců stimulované oblasti. Ve většině případů se počáteční vrt stává injektážní jímkou ​​pro tříjamkový systém pod tlakem cirkulující vody.

Úkon

Za provozu se tekutina vstřikuje při dostatečně vysokých tlacích, aby udržovala otevřenou propojenou síť kloubů proti zemským napětím a účinně cirkulovala tekutinu skrz nádrž HDR vysokou rychlostí. Během rutinní výroby energie se vstřikovací tlak udržuje na úrovni těsně pod úrovní, která by způsobila další tlakovou stimulaci okolního horninového masivu, aby se maximalizovala výroba energie při současném omezení dalšího růstu rezervoáru.

Produktivita

Objem nově vytvořeného pole otevřených spojů v nádrži HDR je mnohem menší než 1% objemu tlakově stimulovaného horninového masivu. Vzhledem k tomu, že tyto spoje pokračují v tlakovém dilataci, celková impedance toku napříč zásobníkem je velmi nízká, což vede k vysoké tepelné produktivitě.

Studie proveditelnosti

Proveditelnost těžby tepla z hluboké Země byla prokázána ve dvou samostatných demonstracích proudění v nádrži HDR - každé zahrnující zhruba jeden rok oběhu - provedené národní laboratoří v Los Alamos v letech 1978 až 1995. Tyto průkopnické testy proběhly v laboratoři Fenton Hill HDR testovací web v Pohoří Jemez severo-centrální Nové Mexiko, v hloubkách přes 8000 stop a teplotách hornin přesahujících 180 ° C.[6] Výsledky těchto testů přesvědčivě prokázaly životaschopnost revolučního nového konceptu geotermální energie HDR. Dvě samostatné nádrže vytvořené na kopci Fenton Hill jsou stále jedinými skutečně uzavřenými HDR nádržemi geotermální energie, které jsou testovány na průtoku kdekoli na světě.

Testy Fenton Hill

Fáze I

První nádrž HDR testovaná na Fenton Hill, nádrž fáze I, byla vytvořena v červnu 1977 a poté testována průtokem po dobu 75 dnů, od ledna do dubna 1978, na úrovni tepelného výkonu 4 MW.[7] Konečná rychlost ztráty vody při povrchovém vstřikovacím tlaku 900 psi byla 2 gpm (2% rychlosti vstřikování). Ukázalo se, že tento počáteční zásobník v podstatě sestává z jediného tlakově dilatovaného, ​​téměř svislého spoje, s mizivě malou impedancí průtoku 0,5 psi / gpm.

Počáteční nádrž fáze I byla rozšířena v roce 1979 a dále byla testována průtokem téměř rok v roce 1980.[8] Nejdůležitější je, že tento průtokový test potvrdil, že zvětšený zásobník byl také omezen a vykazoval nízkou ztrátu vody 6 g / min. Tento zásobník sestával z jediného téměř svislého spoje počátečního zásobníku (který, jak bylo uvedeno výše, byl testován průtokem po dobu 75 dnů počátkem roku 1978) rozšířený o sadu nově tlakově stimulovaných téměř svislých spojů, které byly poněkud šikmé k úderu původního kloubu.

Fáze II

Během a. Byla vytvořena hlubší a teplejší nádrž HDR (Fáze II) masivní hydraulické štěpení (MHF) operace na konci roku 1983.[8] Poprvé to bylo testováno na jaře roku 1985 úvodním testem průtoku uzavřenou smyčkou (ICFT), který trval něco málo přes měsíc.[9] Informace získané z ICFT poskytly základ pro následný dlouhodobý test toku (LTFT) prováděný v letech 1992 až 1995.

LTFT zahrnoval několik jednotlivých běhů ustáleného stavu, rozptýlených řadou dalších experimentů.[10] V letech 1992–1993 byla zavedena dvě období oběhu v ustáleném stavu, první po dobu 112 dnů a druhé po dobu 55 dnů. Během obou testů byla voda běžně vyráběna při teplotě nad 180 ° C a rychlosti 90–100 g / min, což vedlo k nepřetržité produkci tepelné energie přibližně 4 MW. Během tohoto časového rozpětí byl tlak v zásobníku udržován (i během období uzavírání) na úrovni asi 15 MPa.

Počínaje polovinou roku 1993 byla nádrž uzavřena na dobu téměř dvou let a vyvíjený tlak mohl klesnout na v podstatě nulovou hodnotu. Na jaře roku 1995 byl systém znovu natlakován a byl proveden třetí nepřetržitý oběh v délce 66 dnů.[11] Je pozoruhodné, že výrobní parametry pozorované ve dvou dřívějších testech byly rychle obnoveny a výroba energie v ustáleném stavu byla obnovena na stejné úrovni jako dříve. Pozorování během zavírací i provozní fáze všech těchto období testování průtoku poskytla jasný důkaz, že hornina na hranici této umělé nádrže byla stlačena tlakem a výslednou expanzí oblasti nádrže.

V důsledku LTFT byly ztráty vody odstraněny jako hlavní problém v HDR operacích.[12] Během období LTFT spotřeba vody klesla na pouhých 7% množství vstřikované vody; a údaje naznačují, že by za podmínek oběhu v ustáleném stavu pokračoval pokles. Rozpuštěné pevné látky a plyny ve vyrobené tekutině rychle dosáhly rovnovážných hodnot při nízkých koncentracích (asi jedna desetina slanosti mořské vody) a tekutina zůstala po celou dobu zkoušky geochemicky neškodná.[13] Rutinní provoz automatizovaného povrchového závodu ukázal, že energetické systémy HDR lze provozovat za použití stejných ekonomických plánů personálního zabezpečení, jaké již používá řada bezpilotních komerčních hydrotermálních elektráren.

Výsledky testů

Testy Fenton Hill jasně prokázaly výhody plně navrženého zásobníku HDR oproti přirozeně se vyskytujícím hydrotermálním zdrojům, včetně EGS. Se všemi základními fyzikálními vlastnostmi rezervoáru - včetně objemu horniny, kapacity kapaliny, teploty atd. - zjištěných během inženýrského vytváření zóny rezervoáru a celého objemu rezervoáru uzavřeného nadměrně namáhaným okrajem uzavřené horniny, jakékoli změny v provozu podmínky jsou zcela určeny záměrnými změnami provedenými na povrchu. Naproti tomu přírodní hydrotermální „rezervoár“ - který je v zásadě otevřený, a proto neomezený (s velmi proměnlivými hranicemi) - ve své podstatě podléhá změnám přírodních podmínek.

Další výhodou nádrže HDR je, že díky své omezené povaze je velmi vhodná pro operace sledující zátěž, přičemž rychlost výroby energie se mění tak, aby vyhovovala měnící se poptávce po elektrické energii - proces, který může výrazně zvýšit ekonomickou konkurenceschopnost technologie .[14] Tento koncept byl hodnocen těsně před koncem testovacího období Fáze II, kdy byla produkce energie zvýšena o 60% po dobu 4 hodin každý den, naprogramovaným odvětráním oblastí vysokotlakého zásobníku obklopujících produkční vrt. Do dvou dnů bylo možné proces elektronizovat, takže produkce se po zbytek testovacího období automaticky zvyšovala a snižovala podle požadovaného harmonogramu. Přechody mezi dvěma úrovněmi výroby trvaly méně než 5 minut a na každé úrovni byla stabilně udržována produkce v ustáleném stavu. Tyto operace sledování zátěže nemohly být provedeny v přírodním hydrotermálním systému nebo dokonce v systému EGS kvůli neomezenému objemu a okrajovým podmínkám.

Experimenty ve Fenton Hill jasně ukázaly, že technologie HDR je jedinečná, a to nejen s ohledem na to, jak je tlaková nádrž vytvářena a následně šířena, ale také díky flexibilitě správy, kterou nabízí. S hydrotermální technologií má společné jen to, že obě jsou „geotermální“.

Soultzovy testy

V roce 1986 byl ve Francii a Německu zahájen projekt systému HDR ve Francii Soultz-sous-Forêts Začalo. V roce 1991 byly vrtány vrtány do hloubky 2,2 km a byly stimulovány. Pokus o vytvoření nádrže však nebyl úspěšný, protože byly pozorovány vysoké ztráty vody.[15][16]

V roce 1995 byly studny prohloubeny na 3,9 km a stimulovány. V roce 1997 byla úspěšně vytvořena nádrž a bylo dosaženo čtyřměsíčního oběhového testu s průtokem 25 kg / s bez ztráty vody.[16]

V roce 2003 byly studny prohloubeny na 5,1 km. Byly provedeny stimulace k vytvoření třetí nádrže, během cirkulačních zkoušek v letech 2005-2008 byla voda produkována při teplotě asi 160 ° C s nízkými ztrátami vody. Byla zahájena výstavba elektrárny.[17]Elektrárna začala vyrábět elektřinu v roce 2016, byla instalována s hrubým výkonem 1,7 MWE.[18]

Nepotvrzené systémy

Objevily se četné zprávy o testování neomezených geotermálních systémů tlakově stimulovaných v krystalické základové hornině: například na Rosemanowes lom v anglickém Cornwallu;[19] na Hijiori[20] a Ogachi[21] kaldery v Japonsku; a v Cooper Basin, Austrálie.[22] Všechny tyto „inženýrské“ geotermální systémy, které byly vyvinuty v rámci programů zaměřených na vyšetřování technologií HDR, se však ukázaly jako otevřené - o čemž svědčí vysoké ztráty vody pozorované během tlakové cirkulace.[23] V podstatě jsou to všechny EGS nebo hydrotermální systémy, nikoli skutečné nádrže HDR.

Související terminologie

Vylepšené geotermální systémy

Koncept EGS poprvé popsali vědci z Los Alamos v roce 1990 na geotermálním sympoziu sponzorovaném organizací Ministerstvo energetiky Spojených států (SRNA)[24]—Mnohé roky před tím, než DOE vytvořil termín EGS, ve snaze zdůraznit spíše geotermální aspekt těžby tepla než jedinečné vlastnosti HDR.

HWR versus HDR

Hot Wet Rock (HWR) hydrotermální technologie využívá horké tekutiny přirozeně se vyskytující ve sklepě; ale takové podmínky HWR jsou vzácné.[25] Zdaleka většina světové geotermální základny zdrojů (přes 98%) je ve formě horninového podloží, které je horké, ale suché - bez přirozeně dostupné vody. To znamená, že technologie HDR je použitelná téměř všude na Zemi (proto je tvrzení, že geotermální energie HDR je všudypřítomná).

Typicky se teplota v těchto rozsáhlých oblastech přístupné krystalické skály zvyšuje s hloubkou. Tento geotermální gradient, který je hlavní proměnnou zdroje HDR, se pohybuje od méně než 20 ° C / km do více než 60 ° C / km, v závislosti na lokalitě. Doprovodnou ekonomickou proměnnou HDR jsou náklady na vrtání do hloubek, kde jsou teploty hornin dostatečně vysoké, aby umožnily vývoj vhodné nádrže.[26] Příchod nových technologií pro vrtání tvrdých krystalických základových hornin, jako jsou nové vrtáky PDC (polykrystalické diamantové kompakty), vrtací turbíny nebo perkusní technologie poháněné kapalinou (například Mudhammer [27]) může v blízké budoucnosti výrazně zlepšit ekonomiku HDR.

Možná záměna

Jak již bylo uvedeno výše, koncem 90. let začal DOE označovat všechny pokusy o extrakci geotermální energie ze sklepa jako „EGS“, což vedlo k biografickému i technickému zmatku. Biograficky existuje velké množství publikací, které se zabývají prací na získávání energie z HDR bez jakékoli zmínky o termínu EGS. Hledání na internetu pomocí výrazu EGS by tedy tyto publikace neidentifikovalo.

Technické rozlišení mezi HDR a EGS, jak je objasněno v tomto článku, však může být ještě důležitější. Některé zdroje popisují propustnost zemské suterénní horniny jako kontinuum v rozmezí od zcela nepropustného HDR přes mírně propustný HWR až po vysoce propustnou konvenční hydrotermální energii.[28] Tento koncept kontinua však není technicky správný. Vhodnějším pohledem by bylo považovat nepropustnou HDR horninu za samostatný stav od stavu kontinua propustné horniny - stejně jako by člověk považoval zcela uzavřený faucet za odlišný od toho, který je otevřený do jakéhokoli stupně, ať už je tok pramenem nebo povodeň. Stejně tak by měla být technologie HDR považována za zcela odlišnou od EGS.

Další čtení

V dubnu 2012 vydala společnost Springer-Verlag definitivní knihu o vývoji HDR, včetně úplného popisu experimentů na Fenton Hill.[6]

Glosář

  • DOE, Department of Energy (United States)
  • EGS, Vylepšený geotermální systém
  • HDR, horký suchý kámen
  • HWR, horká mokrá skála
  • ICFT, počáteční test průtoku v uzavřené smyčce
  • LTFT, dlouhodobý test průtoku
  • MHF, Masivní hydraulické štěpení
  • PDC, kompaktní polykrystalický diamant (vrták)

Reference

  1. ^ Armstead, H. C. H. a Tester, J. W., 1987. Heat Mining, E. & F. N. Spon, London and New York, str. 34–58
  2. ^ Potter, R. M., Smith, M. C. a Robinson, E. S., 1974. „Způsob získávání tepla ze suchých geotermálních nádrží“, patent USA č. 3 786 858
  3. ^ Brown, D. W., 2009. „Horká suchá horninová geotermální energie: Důležité lekce od Fentona Hilla“ v Proceedings, 34. workshop o inženýrství geotermálních nádrží (9. – 11. Února 2009: Stanford, CA). SGP-TR-187, s. 139–142
  4. ^ A b C Дядькин, Ю. Д. (2001). „Извлечение и использование тепла земли“. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).
  5. ^ Brown, D. W., 1990. „Inženýrství horkých suchých hornin,“ Geotherrm. Resour. Counc. Býk. 19 (3): 89–93
  6. ^ A b Brown, D. W., Duchane, D. V., Heiken, G. a Hriscu, V. T., 2012. Těžba zemského tepla: horká suchá horninová geotermální energie, Springer-Verlag, Berlín a Heidelberg, 655 stran ISBN  3540673164
  7. ^ Dash, Z. V., Murphy, H. D. a Cremer, G. M. (eds.), 1981. „Testování geotermálních rezervoárů horké suché horniny: 1978–1980,“ Los Alamos National Laboratory Report LA-9080-SR, 62 pp
  8. ^ A b Brown, DW a Duchane, DV, 1999. „Vědecký pokrok v projektu HDR Fenton Hill od roku 1983“, speciální vydání Geothermics 28 (4/5): Hot Dry Rock / Hot Wet Rock Academic Review (Abe, H., Niitsuma) , H. a Baria, R., eds.), Str. 591–601
  9. ^ Dash, Z. V. a kol., 1989. „ICFT: počáteční test průtoku uzavřenou smyčkou zásobníku HDR Fenton Hill Phase II,“ zpráva Los Alamos National Laboratory LA-11498-HDR, Los Alamos NM, 128 pp
  10. ^ Brown, D. W., 1993. „Nedávné testování toku nádrže HDR na Fenton Hill v Novém Mexiku,“ Geothermal Program Review XI, duben 1993. Americké ministerstvo energetiky, ochrany a obnovitelné energie, divize Geotermální energie, str. 149–154
  11. ^ Brown, D. W., 1995. „Testování toku ověření nádrže HDR v roce 1995 na Fenton Hill v Novém Mexiku“, výroční zasedání Rady pro geotermální zdroje (8. – 11. Října 1995: Reno, NV) Trans. Geotherm. Resour. Counc. 19: 253–256
  12. ^ Brown, D., 1995. „Program horkých suchých hornin v USA - 20 let zkušeností v testování nádrží“, ve sborníku Světového geotermálního kongresu (18. – 31. Května 1995: Florencie, Itálie), International Geothermal Association, Inc. , Auckland, Nový Zéland, roč. 4, s. 2607–2611
  13. ^ Brown, D. W., Duchane, D. V., Heiken, G. a Hriscu, V. T., 2012. Těžba zemského tepla: Geotermální energie horkých suchých hornin, Springer-Verlag, Berlín a Heidelberg, kapitola 9, str. 541–549
  14. ^ Brown, D. W. a DuTeau, R. J., 1995. „Využití horké suché horninové geotermální nádrže pro sledování zátěže“ v Proceedings, 20. výroční seminář o inženýrství geotermálních rezervoárů (27. – 29. Ledna 1995: Stanford, CA). SGP-TR-150, str. 207–211
  15. ^ Baria, R., Baumgärtner, J., Gérard, A., Jung, R. a Garnish, J., 2002. „Evropský výzkumný program HDR v Soultz-sous-Forêts (Francie); 1987–1998, “ve zvláštním vydání Geologisches Jahrbuch (Baria, R., Baumgärtner, J., Gérard, A. a Jung, R., eds.), Mezinárodní konference - 4. fórum HDR (28. – 30. Září 1998: Štrasburk, Francie). Hannover, Německo, s. 61–70
  16. ^ A b Tester, Jefferson W. (Massachusetts Institute of Technology ); et al. (2006). Budoucnost geotermální energie - dopad vylepšených geotermálních systémů (EGS) na USA v 21. století (PDF). Idaho Falls: Idaho National Laboratory. ISBN  0-615-13438-6. Archivovány od originál (14 MB PDF) dne 10.03.2011. Citováno 2007-02-07.
  17. ^ Nicolas Cuenot, Louis Dorbath, Michel Frogneux, Nadège Langet (2010). „Mikroseismická aktivita vyvolaná za podmínek oběhu na projektu EGS Soultz-Sous-Forêts (Francie)“. Sborník Světová geotermální konference.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  18. ^ Justine MOUCHOT, Albert GENTER, Nicolas CUENOT, Olivier SEIBEL, Julia SCHEIBER, Clio BOSIA, Guillaume RAVIER (12. – 14. Února 2018). „První rok provozu geotermálních elektráren EGS v Alsasku ve Francii: Problémy s měřítkem“. 43. Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanfordská univerzita: 1, 3. Citováno 25. května 2020.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  19. ^ Parker, R. H., 1989. „Hot Dry Rock Geothermal Energy, Phase 2B Final Report of the Camborne School of Mines Project,“ sv. 1–2, Pergamon Press, Oxford, UK
  20. ^ Matsunaga, I., Niitsuma, H. a Oikaya, Y., 2005. „Review of the HDR development at Hijiori Site, Japan“, in Proceedings, World Geothermal Congress (24. – 29. Dubna 2005: Antala, Turecko), 3861–3865
  21. ^ Ito, H. a Kaieda, H., 2002. „Přehled 15 let zkušeností s projektem Ogachi Hot Dry Rock s důrazem na geologické rysy“ v Proceedings, 24. novozélandský geotermální workshop (13. – 15. Listopadu 2002: Univerzita Auckland, Auckland, Nový Zéland), s. 55–60
  22. ^ Chopra, P. a Wyborn, D., 2003. „První australský projekt těžby geotermální energie za sucha v horninách je spuštěn a provozován v žule pod Cooperovou pánví v severní Austrálii,“ ve sborníku The Ishihara Symposium: Granites and Associated Metallogenesis (22. – 24. Července 2003: Macquarie University, Sydney, Austrálie), s. 43–45
  23. ^ Brown, D., DuTeaux, R., Kruger, P., Swenson, D. a Yamaguchi, T., 1999. Tabulka 1: „Cirkulace tekutin a extrakce tepla z vytvořených geotermálních nádrží,“ Geothermics 28 (4/5) speciální vydání: Hot Dry Rock / Hot Wet Rock Academic Review (Abé, H., Niitsuma, H. a Baria, R., eds.), str. 553–572
  24. ^ Brown, D. W. a Robinson, B. A., 1990. „Technologie horkých suchých hornin“ v Proceedings, Geothermal Program Review VIII (18. – 20. Dubna 1990: San Francisco, CA). KONF 9004131, s. 109–112
  25. ^ Armstead, H. C. H. a Tester, J. W., 1987. Heat Mining, E. & F. N. Spon, London and New York, str. 55–58
  26. ^ Tester, J. W., Herzog, H. J., Chen, Z., Potter, R. M. a Frank, M. G., 1994. „Perspektivy univerzální geotermální energie z těžby tepla“, Science and Global Security Vol. 5, s. 99–121
  27. ^ Souchal, R., 2017, High-Power Mudhammer Drilling: Slibné řešení pro hlubinné geotermální nádrže, sborník Geotherm Deep Geothermal Energy Congress
  28. ^ Sass, JH a Robertson-Tait, A., 2002. „Potenciál pro vylepšené geotermální systémy v západních Spojených státech“, ve zvláštním vydání Geologisches Jahrbuch (Baria, R., Baumgärtner, J., Gérard, A. a Jung , R., eds.), Mezinárodní konference — 4. fórum HDR (28. – 30. Září 1998: Štrasburk, Francie). Hannover, Německo, s. 35–42