Geoterminen voima on kestävä energialähde, joka valjastaa maapallon lämmön sähköntuotantoon, tarjoaa vähähiilisen perusvoiman vaihtoehdon fossiilisille polttoaineille. Kuitenkin perinteiset geoterminen voimalat . Erityisesti ne, jotka käyttävät perinteisiä flash- tai kuivahöyrysyklejä . Tämä riippuvuus herättää huolta veden säästämisestä, erityisesti vesipula-alueilla, joilla geoterminen energia on runsaasti. Viimeaikaiset jäähdytysteknologioiden, nesteiden hallinnan ja järjestelmäsuunnittelun innovaatiot pyrkivät vähentämään merkittävästi veden käyttöä, tekemään geotermisestä energiasta kestävämpää ja ympäristöystävällisempää.

Vedenkäytön haasteet geotermisessä energiassa

Tavanomaiset geoterminen voimalat ovat tyypillisesti riippuvaisia suurista vesimääristä jäähdytykseen, mikä voi rasittaa paikallisia vesivaroja erityisesti kuivilla alueilla, kuten Länsi-Yhdysvalloissa, Itä-Afrikassa ja Kaakkois-Aasiassa. Esimerkiksi tyypillinen 50 MW:n geoterminen salamalaitos, jossa käytetään kosteita jäähdytystorneja, voi kuluttaa jopa 3,5 ± 0,9 m3 MW-1 h−1 vettä, kuten Yhdysvaltain energiaministeriö sanoo. Keisarillisessa Valleyssä Kaliforniassa, jossa korkeaenthalpiset maalämpökentät tuottavat lähes 2000 MW:n vedenkulutus voi myös kilpailla maatalouden ja kuntien tarpeiden kanssa. Lisäksi vedenkulutus voi johtaa lämpösaasteeseen, jos jäähdytysvesi pääsee pintaekosysteemeihin vaikuttaen.

Innovatiiviset lähestymistavat veden vähentämiseen

1. Kuivajäähdytysteknologiat

Kuivajäähdytysjärjestelmät käyttävät ilmaa veden sijasta höyryn lauhdutukseen, vähentävät merkittävästi . tai joissakin tapauksissa poistavat vedenkulutuksen. On olemassa kaksi primaarityyppiä: ilmajäähdytteiset lauhduttimet (ACC) ja kuivajäähdytystornit. Vaikka perinteinen kuivajäähdytys on vähemmän tehokas kuumassa ympäristössä, koska ilman tiheys ja lämpökapasiteetti ovat vähentyneet, materiaalien ja suunnittelun edistyminen voivat vähentää vedenkulutusta. Esimerkiksi tehostetun lämmönvaihtimen pinnoitteiden (esim. finned-putket hydrofobisilla pinnoitteilla) käyttö lisää lämmönsiirtotehoa. Kuiva- ja märkäjäähdytyksen yhdistelmät auttavat ylläpitämään tehoja huippulämmön aikana samalla kun säästetään vettä. Huomattava esimerkki on Mammothin pohjoisessa geoterminen projekti Nevadassa, jossa hybridikuiva-/vetinen jäähdytysjärjestelmä leikkaa veden käyttöä 90% verrattuna perinteiseen märkäjäähdytykseen. Kansainvälinen uusiutuva energiavirasto (IRENA) arvioi, että se voi ottaa käyttöön tehokkaan kuivajäähdytysjärjestelmän, voi vähentää vedenkulutusta 80.95%:lla.

2. Valmistettujen nesteiden uudelleen injektointi

Monet geotermisen laitoksen nyt uudelleen injektoida jäähdytettyjä maalämpönesteitä takaisin säiliöön, minimoi veden vetämistä ulkoisista lähteistä. Tämä suljettu silmukka järjestelmä ei ainoastaan säästää vettä, vaan myös auttaa säilyttämään säiliön paine, pidentää resurssien elinikää. Tyypillinen uudelleen ruiskutusnopeus ylittää 90% tuotetusta suolavedestä, mutta hävikkejä voi esiintyä johtuu skaalauksesta, piidioksidin laskeuma, tai läpäisevyys kysymyksiä. Innovatiivinen ruiskutus tekniikoita ovat käyttö suunta injektiokaivoja, esikäsittely nesteitä estää tukkeutumisen, ja hyödyntää älykkäitä hyvin teknologiaa alas reikien anturit optimoida injektion kuvioita. Esimerkiksi Geysers geoterminen kenttä Kaliforniassa (NREL), uudelleen ruiskuttaminen käsitelty jätevesi paikallisista kunnissa on vähentänyt makean veden kysyntää, mutta myös lisännyt höyryn tuotantoa. Advanced mallintaminen varasto geokemia auttaa ennustamaan ja vähentää skaalauksen, varmistaa pitkän aikavälin kestävä toiminta. Mukaan National Recrease Energy Laboratory (NREL), optimoitu uudelleen ruiskutus voi vähentää ulkoisen veden tarvetta jopa 95%.

3. Ei-Potable Water Lähteet

Vesien käyttö ilman vedenjakelua, kuten käsiteltyjä kunnallisia jätevesiä, murtovettä tai öljy- ja kaasutoiminnoista peräisin olevaa vettä, vähentää makean veden kysyntää. Tämä lähestymistapa on erityisen arvokas veden niukkuusalueilla, varmistaa kestävän käytön ilman paikallisten vesitoimitusten tuhoamista. Yhdysvalloissa energiaministeriö on rahoittanut useita hankkeita, joissa käytetään regeneroitua vettä jäähdytykseen. Nevadan Dixie Valleyn geoterminen laitos käyttää käsiteltyjä jätevesiä läheisen maatalousveden valuessa, vähentäen makean veden kulutusta yli 1,5 miljoonalla m3 vuodessa. Toinen innovatiivinen tapaus on Hellisheiðin geoterminen voimalaitos Islannissa, joka käyttää vettä läheisestä joesta, mutta myös toteuttaa kehittyneen vedenkäsittelylaitoksen kierrättämään jäähdytysvettä sisäisesti, vähentää merkittävästi kokonaissaantia.

4. Edistyneet binäärisyklit ja superkriittiset hiilidioksidijärjestelmät

Binäärikierto geoterminen kasveja, jotka käyttävät sekundaarista käyttönestettä (esim. isobutaania tai pentaania), jossa on alempi kiehumispiste, toimivat jo suljetuissa silmukoissa, joissa on pieni vedenkulutus tehosyklissä. Kuitenkin kehittyneet binäärimallit sisältävät nyt ominaisuuksia kuten ilmajäähdytteiset lauhduttimet tai yhdistetty lämmön ja sähkön (CHP) parantaa yleistä veden tehokkuutta. Vallankumouksellinen kehitys on käyttää superkriittistä hiilidioksidia (sCO2) käyttönesteenä suljetuissa geotermisen järjestelmän. sCO2 absorboi lämpöä tehokkaammin kuin höyry ja poistaa veden jäähdytyksen tarpeen joissakin kokoonpanoissa. DOE. DOE.s FORGE-hanke (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy) testaa sCO2-energiaa parannetuissa geotermisen järjestelmissä (EGS), jossa on varhaiset tulokset, jotka osoittavat vedenkulutuksen potentiaalin. MIT-tutkimus arvioi, että sCO2-järjestelmät voisivat vähentää laitoksen veden käyttöä 40.

5. Tehostetut geoterminen järjestelmät (EGS) ja murtumistekniikat

EGS tyypillisesti vaatii vettä hydraulisen murtuman luomiseen. Murtuman innovaatiot . Esimerkiksi nestemäisen CO2:n tai typpivaahdon käyttö vähentää veden intensiteettiä. Esimerkiksi Yhdysvaltain DGE. Utah FORGE-hankkeessa käytetään veden ja geelin lisäaineiden yhdistelmää veden kokonaiskäytön minimoimiseksi murtumavaihetta kohden. Lisäksi syklinen painepulssi- ja lämpöstimulaatiotekniikka voi luoda läpäisevyyden ilman liiallista veden injektointia. Newberry Volcanon EGS-pilotti Oregonissa saavutti jatkuvan voimantuotannon käyttäen alle 500 m3 vettä stimulaatiota kohti, mikä on murto-osa aiemmista projekteista. Tutkijat tutkivat myös ...

Tulevaisuuden linjaukset ja tutkimus

Jatkuvassa tutkimuksessa keskitytään parantamaan kuivajäähdytystehokkuutta, kehittämään parempia uudelleenruiskutustekniikoita ja tutkimaan vaihtoehtoisia vesilähteitä. Innovaatiot, kuten kehittyneet materiaalit (esim. aerogeelipohjaiset eristysaineet, metallinen ja orgaaninen runko veden talteenottoon), digitaalinen seuranta koneoppimisen avulla ja seuraavan sukupolven geoterminen järjestelmät, auttavat optimoimaan veden käyttöä ja vähentämään ympäristövaikutuksia.

Parannettu kuivajäähdytysteho

Tutkimus pyrkii lisäämään kuivajäähdytystä kaksoispainejärjestelmien, ruiskuavusteisen kuivajäähdytyksen ja lämpöenergian varastoinnin avulla siirtämään jäähdytyskuormat viileämpiin tunneihin. DOE. Advanced Dry Cooling -aloite on rahoittanut lämpövarastointia, joka on yhdistetty geotermisen laitoksen kanssa, mahdollistaen 30%:n vuotuisen tehonoton, kun käytetään vähän vettä. Lisäksi aurinkosähkökäyttöiset jäähdytyslaitteet voivat lisätä ilman jäähdytystä kuumina päivinä.

Digitaalinen seuranta ja tekoälyoptimointi

Internet-ovien (IoT) anturien integrointi tekoälyalgoritmiin mahdollistaa varastoolosuhteiden, nestekemian ja jäähdytystehokkuuden reaaliaikaisen seurannan. Esimerkiksi Hornsbyn säiliön seurantajärjestelmä Geysersissä käyttää kuituoptista hajautunutta lämpötilakartoitusta kuuman ja kylmän alueen havaitsemiseen, ohjaa uudelleen ruiskutusta höyryn talteenoton maksimoimiseksi ja vesihäviön minimoimiseksi. Koneoppimismallit voivat ennustaa skaalautumistapahtumia ja säätää injektioaikatauluja, mikä vähentää veden käyttöä jopa 10%. Digitaaliset kaksoset mahdollistavat toiminnanharjoittajien simuloida vedensäästöskenaarioita häiritsemättä tuotantoa.

Kehittyneet materiaalit ja geokemia

Uudet sorbentit ja kalvoteknologiat voivat saada vettä talteen geotermistä höyrystä tai pakokaasuista. Lawrence Berkeleyn laboratoriossa on kehitetty lämpöresistentti polymeeri, joka voi ottaa vettä höyrystä korkeissa lämpötiloissa, mahdollisesti kierrättää jopa 90% prosessivedestä. Samaan aikaan geokemialliset merkkiaineet auttavat kartoittamaan nestevirran säiliöissä, jolloin tarkka ruiskutuksen hallinta. Pinnoitteet, jotka kestävät piin skaalausta, vähentävät hyvin suljettujen pintojen tiheyttä puhdistukseen, säästäen sekä vettä että energiaa.

Täydentävät lähestymistavat

Toinen lupaava keino on integroida geoterminen laitos suolanpoistoyksiköillä, käyttää hukkalämpöä makean veden tuottamiseen samalla kun jäähdytystä työnestettä. Reykjanes-lämpölaitoksen pilotti Islannissa saavutti 300 m3/päivällä makean veden yhteistuotannon ilman lisäenergian syöttöä. Samoin ylilämpöä käytetään suoraan käyttötarkoituksiin, kuten kasvihuonelämmitykseen tai kaukolämpöön, mikä vähentää lämpökierron jäähdytyskuormaa ja vähentää siten veden kulutusta.

Yhdistämällä kuiva- ja hybridijäähdytyksen, pitkälle kehitetyn uudelleenruiskutuksen, ei-positiivisten vesien käytön ja uusien teknologioiden, kuten sCO2-järjestelmien, geoterminen teollisuus on siirtymässä lähes nollaan vedenkulutukseen. Nämä innovaatiot parantavat paitsi geotermisen energian kestävyyttä myös mahdollistavat sen, että vesi- ja vesivoimaa voidaan hyödyntää tehokkaasti ja luotettavasti. Tutkimusten jatkuessa voimme odottaa, että geoterminen energia on entistäkin tehokkaampaa ja vettä säästävämpää, mikä tekee geotermisestä maailmanlaajuisen uusiutuvan energian yhdistelmän kulmakiven.