Johdanto: Geotermisen energian seuraava raja

Maalämpövoima on ainutlaatuinen etu: jatkuva energiantuotanto säästä riippumatta. Maalämpöteknologioista huolimatta [Hot Dry Rock (HDR) -järjestelmät[[].Tärkeintä on, että aurinko- ja tuulivoima on erittäin tärkeä tekijä energiaverkkojensa hiilestä irtautumisessa.Tässä artikkelissa tarkastellaan HDR-järjestelmien tiedettä, potentiaalia ja haasteita, toisin kuin perinteisistä vesilämpövarastoista, jotka vaativat luonnollista kuumaa vettä ja läpäisevää kalliota, ja miksi niistä voisi tulla tulevaisuuden energiansaannin kulmakivi.

Mitä ovat kuumakuivakivijärjestelmät?

Kuumakuivakivijärjestelmät kohdistuvat syvään graniittiin tai metamorfisiin kalliomuodostelmiin, jotka saavuttavat 150°C - 300°C:n lämpötilat mutta eivät ole luonnollisia huokoisuus- tai nestepitoisuuksia. Perinteiset geoterminen kasvit luottavat luonnollisiin hydrotermisiin varastoihin.Maataskut kuumaa vettä tai höyryä. Nämä ovat harvinaisia, usein lähellä mannerlaattojen rajoja. HDR-teknologia kiertää tämän rajoituksen luomalla keinotekoisen varaston kuivassa kalliossa hydraulisella stimulaatiolla.

Ydinkäsite on yksinkertainen: poraa syvälle kuumaan kallioon, luo yhteenliitettyjä murtumia, kierrätä vettä niiden kautta imeäksesi lämpöä ja tuo lämmitetty neste pintaan ajaaksesi turbiineja. Koska HDR voi toimia missä tahansa, jossa on riittävä pinnanalainen lämpötilagradientti, se laajentaa huomattavasti geotermisen energian maantieteellistä ulottuvuutta. Yhdysvaltain energiaministeriö arvioi, että EGS voisi tarjota yli 100 GW taloudellisesti kannattavaa kapasiteettia pelkästään Yhdysvalloissa.

Miten HDR Geoterminen järjestelmät toimivat

Vaihe 1: Kohteen valinta ja poraus

Prosessi alkaa geologisista tutkimuksista, joilla tunnistetaan kuumaa kalliota porattavissa syvyyksissä.Tyypillisesti 3-6 kilometriä. Seismiset heijastus- ja magneettitutkimukset auttavat kartoittamaan pinnanalaisen lämpövirran. Kaksi kaivoa porataan: ruiskutuskaivo ja tuotantokaivo. Poraustekniikan viimeaikaiset edistysaskeleet, kuten hybridikierto-percussive porat ja korkean lämpötilan alareikätyökalut, ovat vähentäneet näiden syvyyksien saavuttamiseen kuluvaa aikaa ja kustannuksia.

Vaihe 2: Murtumaverkoston luominen

Kun kaivot saavuttavat kohdekiven muodostumisen, kivi on viritetty läpäisevyyden luomiseksi. Tämä saavutetaan ruiskuttamalla kylmää vettä korkealla paineella shear frakturing. Prosessi tunnetaan [hydraulinen stimulaatio[[]. Murtumat avoin ja itsetoimiva karkeat pinnat liukuvat toistensa ohi, luoden reittejä nesteen virtausta varten. Injektiopaineen ja -nopeuden huolellinen hallinta on välttämätöntä lämmönsiirron maksimoimiseksi samalla kun minimoida seisminen riski. Tuloksena olevaa säiliötä kutsutaan usein [ lämmönvaihtimeksi kalliossa[.

Vaihe 3: Kierto ja lämmön talteenotto

Kun riittävä murtumaverkosto on luotu, vettä kierrätetään jatkuvasti. Kylmää vettä ruiskutetaan, lämmitetään sen kulkiessa kuuman murtumaisen kiven läpi ja palautetaan pinnalle tuotantokaivon kautta. Veden lämpötila voi nousta 150.250 °C. Lämmitetty vesi kulkee lämmönvaihtimen läpi, ajaen []-binaarista sykliä voimalaitos[[]].Käyttäen sekundaarista työnestettä, jossa on matala kiehuva piste (esim. isoftaani) pyörittää turbiinia, minimoiden veden hävikkiä. Jäähdytetty vesi asennetaan uudelleen, täyttäen silmukan.

Vaihe 4: Virrantuotanto ja käyttö

Sähköntuotanto HDR:stä käyttää tavallisesti orgaanisia Rankine Cycle (ORC) -turbiineja, jotka ovat tehokkaita kohtuullisissa lämpötiloissa. Hyvin suunnitellun HDR:n laitoksen [net-energiatehokkuus[] voi ylittää 20%, kun sen uudelleensijoitusaste on 90.95%, mikä tekee siitä verrattavissa perinteiseen geotermiseen.

Keskeiset edut kuuman kuivan kallion geoterminen energia

Rajaton resurssipotentiaali

Toisin kuin fossiiliset polttoaineet tai hydrotermiset resurssit, HDR vetää maapallon kuoren lämpöä. Kansainvälinen energiajärjestö (IEA) toteaa, että EGS voisi toimittaa 10% globaalista sähköstä vuoteen 2050 mennessä[], jos tekniset esteet ylitetään. Resurssi on pääosin ehtymätön ihmisen aikavälillä.

Peruskuorman luotettavuus

HDR-voimalaitokset voivat toimia 24/7, sää- tai vuorokautisten syklien vaikutuksesta riippumatta. Tämä [] peruskuormakapasiteetti[ täydentää vaihtelevasti uusiutuvia energialähteitä ja vähentää varastointi- tai varmuuskopiolaitosten tarvetta. Huolellisella varastonhallinnalla yksi HDR-kenttä voi tuottaa vakaata tehoa 30.

Pieni ympäristöjalanjälki

Hiileen tai maakaasuun verrattuna HDR:stä vapautuu vain vähän hiilidioksidia. Maankäyttö on yleensä pieni ja se on noin 1...2 hehtaaria/ MW, kun aurinko- tai tuulivoimaa on 10 hehtaaria. Pinta-ala-aineessa tapahtuva ruiskutus vähentää pintaveden saastumisriskiä, kun järjestelmät on suunniteltu asianmukaisesti.

Maantieteellinen joustavuus

HDR voidaan ottaa käyttöön alueilla, jotka eivät ole mannerraja. Esimerkiksi Cornwall Hot Dry Rock -hanke[] Yhdistyneessä kuningaskunnassa, []Soultz-sous Forêts -hanke[] Ranskassa ja []Desert Peak EGS -hanke[ Nevadassa kaikki osoittavat onnistuneen stimuloinnin erilaisissa geologisissa olosuhteissa.

Nykyiset haasteet suurherätysvaltateknologian kohtaamisessa

Korkeat Upfront kustannukset ja taloudelliset riskit

Syväkaivojen poraus on edelleen kallista kymmentä $5.15 miljoonaa kaivoa kohti. Riski huonosta yhteydestä, ennenaikaisesta jäähdytyksestä tai seismisyydestä estää yksityisiä investointeja. Hallituksen rahoitus ja riskinjakomekanismit ovat ratkaisevan tärkeitä alkuvaiheen projekteille. Yhdysvaltain energiaministeriö []FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy)-aloite on yksi esimerkki julkisesta tuesta kustannusten vähentämiseksi.

Seismisyyden aiheuttama

Hydraulinen stimulaatio voi aiheuttaa pieniä maanjäristyksiä. Useimmat ovat huomaamattomia, mutta suurempia tapahtumia on tapahtunut, kuten [2006 Baselin maanjäristys Sveitsissä (M3,4), joka johti hankkeen peruuttamiseen. Edistynyt seuranta ja mukautuva injektointiprotokolla.

Vedenkäyttö ja nestehukka

Vaikka vesi kierrätetään, osa murtumiin. Kuivalla alueella, hankinta meikkivesi voi olla ongelma. Vaihtoehtoja kuten [] superkriittinen CO2 käyttönesteeksi[] on tutkittu vähentää veden kysyntää ja lisätä lämmönottonopeutta.

Lämpötila ja läpäisevyys Vaihtoehdot

Korkeammat lämpötilat parantavat tehokkuutta, mutta lisäävät porausvaikeuksia ja korroosiota. Luomalla yhtenäisiä murtumaverkostoja kanavoimatta.Jos vesi virtaa muutaman suuren reitin läpi, useimpien kallioiden ohitse on jatkuva tekninen haaste. Edistynyt mallintaminen käyttäen hermoverkkoja ja mikroseismistä kuvantaminen auttaa optimoimaan stimulaation.

Maailmanlaajuiset pilottihankkeet ja tutkimusmailinkivet

Fenton Hill, USA (Los Alamos National Laboratory)

Ensimmäinen HDR-koe (1970s.1990s) Fenton Hillissä, New Mexicossa osoitti, että lämpöä voitiin uutetaan kuumasta kuivasta graniitista. Se saavutti kestävän kierron ja lämpötilat yli 180°C, mikä oli osoitus konseptin todisteesta.

Soultz-sous-Forêts, Ranska

Euroopan kuumakuivakivihanke Soultz-sous-Forêtsissä (Alsatian alueella) on kehittänyt yhden EGS:n syvimmistä säiliöistä (5 000 m, 200 °C). Se on toiminut menestyksekkäästi ja tuottanut sähköä ja osoittanut pitkän aikavälin kestävyyttä vuodesta 2008.

Coso EGS Demonstration, Kalifornia

Osa Yhdysvaltain laivaston geotermistä ohjelmaa, Coso osoitti, että tehostettu stimulaatio voisi lisätä nykyisten hydrotermisen kentän tuotosta, mikä kuroisi umpeen perinteisten ja HDR-teknologioiden välisen kuilun.

Jatkuva tutkimus: FORGE ja DEEPEGS

FORGE[ -hanke Utahissa (Milford) tarjoaa uuden stimulaatiotekniikan, kehittyneiden diagnostiikan ja porausmenetelmien testauslaitoksen. Eurooppa. [DEPEGS (Deep Enhanced Geothermal Systems) -hanke Islannissa ja Ranskassa tutkii ylikriittisiä geotermisen varastoja.

Tulevaisuudennäkymät: Superkriittiset HDR- ja hybridijärjestelmät

Seuraava raja on , joka on ylikriittinen HDR, jossa vettä levitetään paineessa ja lämpötilassa kriittisen pisteen yläpuolella (374 °C, 22.1 MPa). Näissä olosuhteissa vesi käyttäytyy yhden vaiheen nesteenä, jolla on poikkeuksellisen lämmönkuljetuskyky. Alkuvaiheen työ [Islantissa Syväporausprojektissa kohtasi yli 400 °C:n lämpötiloja 4,5 km:n syvyydessä ja tuottaa korkeaa höyryä. Jos se on suunniteltu onnistuneesti, ylikriittinen HDR voisi vähentää tarvittavien kaivojen määrää ja alentaa sähkön kustannuksia 30.

Toinen lupaava suunta on hybridikäyttö[].HDR:n sijoittaminen aurinkolämpölaitoksiin vakaan tehon ylläpitämiseksi tai HDR:n käyttäminen esilämmittämään rehuvettä hiililaitoksissa, parantamaan tehokkuutta ja vähentämään päästöjä. Lähihorisontissa ovat kehittyneet porausteknologiat (esim. muut kuin pyörivät, plasma- tai laserporaustekniikat) ja tekoäly.

Päätelmä: Puhtaan energiasekoituksen elinvoimainen osa

Hot Dry Rock -maalämpöjärjestelmät tarjoavat valtavan, hyödyntämättömän energialähteen, joka voi tarjota luotettavaa, vähähiilistä sähköä ja lämpöä. Vaikka teknisiä ja taloudellisia esteitä on edelleen, kestävä tutkimus ja pilottihankkeet maailmanlaajuisesti ovat osoittaneet, että HDR/EGS on enemmän kuin teoreettinen käsite.Se on uusi teknologia, jolla on todellisia mahdollisuuksia. Jatkuvalla innovoinnilla ja tukipolitiikan kehyksellä HDR voisi toimittaa merkittävän osan globaalista energiasta keskivuosisadan aikana, täydentää aurinkoa, tuulta ja vesivoimaa monipuolisessa kestävässä verkossa.

[[LLT:0]]Tutki lisää: [[LLT:1]]