Достижения в области усовершенствованных геотермальных систем для доступа к энергии глубокой Земли

Геотермальная граница за пределами гидротермальных ресурсов

Геотермальная энергия уже давно признана надежным источником энергии с низким содержанием углерода, но ее принятие исторически ограничивалось регионами с природными гидротермальными резервуарами, где горячая вода или пар уже циркулирует через проницаемую породу. Это ограничение оставляет подавляющее большинство подземного тепла Земли неиспользованным. Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) меняют эту парадигму, проектируя искусственные резервуары в горячих, сухих горных породах. Вводя воду для создания и поддержания трещин, EGS открывает геотермальный потенциал в районах, которые когда-то считались геологически непригодными, делая энергию глубокой Земли доступной в глобальном масштабе.

Последние технологические прорывы быстро повышают эффективность, безопасность и экономическую жизнеспособность EGS. Эти достижения обещают превратить геотермальную энергию из нишевого ресурса в основной вклад в мировое сочетание возобновляемых источников энергии. В этой статье исследуется текущее состояние технологии EGS, освещаются ключевые инновации и рассматриваются преимущества, проблемы и перспективы будущего этого преобразующего энергетического решения.

Как работают усовершенствованные геотермальные системы

В своей основе технология EGS следует трехэтапному процессу: бурение, стимуляция резервуара и извлечение энергии . Яма пробурена глубоко в земную кору — обычно от 2 до 5 километров — для достижения горячей породы с температурой, превышающей 150°C. В отличие от обычных геотермальных систем, порода часто непроницаема с небольшим или никаким естественным содержанием жидкости. Для преодоления этого операторы впрыскивают жидкости высокого давления для создания или повторного открытия трещин, повышения проницаемости и создания сети потока. Вторая скважина или набор скважин затем пробурены для пересечения зоны стимулированного разрушения, образуя петлю производства впрыска. Вода, циркулирующая через эту сеть, поглощает тепло из породы, возвращается на поверхность в виде горячей воды или пара и приводит в действие турбины для выработки электроэнергии.

Успех проекта EGS зависит от способности создать достаточно большую и взаимосвязанную сеть трещин, не вызывая непреднамеренного воздействия на окружающую среду. Это требует точного контроля давления впрыска, скорости потока и химии жидкости - проблема, которую решают недавние инновации.

Методы стимуляции водохранилища

Гидравлическая стимуляция является наиболее распространенным методом, но достижения в жидких добавках и протоколах цикличности улучшили эффективность. Экологически чистые фрекинговые жидкости, такие как гели на водной основе с низкой вязкостью с биоразлагаемыми полимерами, снижают риски химического загрязнения. Циклическая инъекция, где давление применяется в импульсах, а не непрерывно, создает более распределенные трещины и минимизирует риск крупных неконтролируемых сейсмических событий. Кроме того, проппанты (песок, керамические бусины или особенно формованные частицы) могут быть введены для сохранения трещин после высвобождения давления, повышая долгосрочную проницаемость.

Мониторинг и моделирование в реальном времени

Современные проекты ЭГС в значительной степени зависят от мониторинга недр для оптимизации стимуляции и обеспечения безопасности. Микросейсмические массивы мониторинга обнаруживают небольшие землетрясения, вызванные разрывом, обеспечивая карту роста трещин в реальном времени. Волоконно-оптическая распределенная температура и акустическое зондирование (DTS / DAS) измеряют температуру и деформацию вдоль скважины, позволяя инженерам определять, какие трещины получают жидкость и как развивается резервуар. В сочетании с передовыми численными моделями, которые имитируют поток жидкости, транспорт теплоты и механику горных пород, операторы могут принимать решения, основанные на данных, для корректировки параметров впрыска на лету.

Последние технологические достижения

За последнее десятилетие набор инноваций вывел EGS из исследовательской концепции в коммерческую готовность. Эти достижения охватывают бурение, стимулирование, мониторинг и материаловедение.

Передовые технологии бурения

Бурение глубоких геотермальных скважин является одним из самых дорогих компонентов проекта EGS, часто на долю которого приходится 40-60% общих затрат.Недавние прорывы направлены на снижение затрат на бурение по периметру, обеспечивая доступ к более глубоким, более горячим формациям.

• Точное направленное бурение: Ротари управляемые системы и скважинные двигатели позволяют бурить скважины с высокой точностью в целевые зоны разрушения, уменьшая количество необходимых скважин и сводя к минимуму поверхностное воздействие.
• Плазменное и лазерное бурение: Экспериментальные методы используют электрически генерируемую плазму или сфокусированные лазеры для распыления и испарения породы, потенциально сокращая время бурения и износ инструмента по сравнению с обычными механическими битами. Ранние полевые испытания показывают перспективу для твердой, кристаллической породы, распространенной в геотермальных резервуарах.
• Двухстенная буровая труба и бурение в воздухе/тумане: Использование сжатого воздуха или тумана вместо бурения грязи снижает потребление жидкости и воздействие на окружающую среду, особенно в засушливых регионах, где воды мало.
• Высокотемпературная электроника: Новая электроника, способная работать при 300°С, обеспечивает передачу данных в реальном времени с бурового долота, улучшая навигацию и оценку формирования.

Улучшение и подключение водохранилища

Создание продуктивной сети трещин, которая остается проницаемой в течение многих лет эксплуатации, было постоянным препятствием.

• Многоступенчатая стимуляция: Изолирование участков скважины упаковщиками и стимуляция каждого интервала последовательно создает несколько независимых зон разрыва, увеличивая общую площадь теплообмена.
• Химическая стимуляция: Инъекция слабых кислот или щелочных растворов растворяет минералы, которые закупоривают трещины, вновь открывая пути потока без необходимости инъекции под высоким давлением.
• Ингибиторы биоминерализации: Для предотвращения масштабирования осадков диоксида кремния и карбоната в поверхностных трубах и теплообменниках разработаны новые химические ингибиторы и протоколы периодической очистки.
• Индуцированные тяговые карты: Пассивные сейсмические массивы в сочетании с наклонными счетчиками и томографией электрического сопротивления обеспечивают изображения стимулированного объема с высоким разрешением, позволяя операторам проверять связь между инжекторными и производственными скважинами.

Технологии преобразования энергии

Резервуары EGS часто производят воду при температурах 150-250 ° C - ниже, чем традиционные гидротермальные ресурсы. Это делает электростанции с бинарным циклом (с использованием вторичной рабочей жидкости, такой как изопентан или аммиак) предпочтительным методом преобразования. Повышение эффективности в бинарных установках было достигнуто за счет:

• Передовые теплообменники: Компактные, высокотемпературные пластинчатые теплообменники снижают паразитную мощность перекачки и улучшают теплообмен.
• Сверхкритические циклы CO2: Для EGS было предложено использовать CO2 в качестве рабочей жидкости вместо воды, поскольку CO2 может достичь более высокой тепловой эффективности и потенциально обеспечить преимущества хранения углерода.
• Модульные, масштабируемые силовые агрегаты: Малые модули (1-5 МВт) позволяют поэтапно развертывать, снижая первоначальные требования к капиталу и обеспечивая постепенное расширение по мере проверки производительности резервуара.

Преимущества улучшенных геотермальных систем

EGS предлагает ряд преимуществ, которые дополняют другие возобновляемые источники энергии и обеспечивают уникальную ценность для стабильности сети и декарбонизации.

Энергетическая безопасность и надежность

В отличие от солнечной и ветровой энергии, геотермальная энергия является диспетчерской и обеспечивает базовую нагрузку электроэнергии с коэффициентами мощности, как правило, выше 90%. ЭГС-заводы могут работать непрерывно, не подверженные влиянию погоды или суточных циклов. Эта надежность делает их отличным дополнением к периодическим возобновляемым источникам энергии, уменьшая потребность в хранении энергии или резервных установках на ископаемом топливе.

Экологическая эффективность

EGS производит минимальные выбросы парниковых газов - обычно менее 50 г CO2e / кВтч, и часто ниже по сравнению с природным газом (≈490 г / кВтч) или углем (≈820 г / кВтч). Использование земли также скромно, так как большая часть инфраструктуры находится ниже земли с небольшим поверхностным следом. Циркуляция жидкости замкнутого цикла минимизирует потребление воды по сравнению с обычными электростанциями. Кроме того, EGS может быть интегрирована с приложениями прямого использования, такими как централизованное отопление, тепличное сельское хозяйство или промышленная сушка, дополнительно максимизируя выход энергии на скважину для добычи.

Географическое расширение

Теоретически ЭГС можно развернуть в любом месте с достаточным количеством тепла на глубине, что включает в себя большие участки США, Европы, Азии и Австралии. Это резко расширяет потенциал геотермальной энергии за пределами тектонически активных регионов, в которых размещены обычные гидротермальные системы. Такие страны, как Франция, Германия, Великобритания и Япония активно изучают ЭГС для диверсификации своих энергетических портфелей.

Экономические возможности

Цепочка поставок EGS создает занятость в буровых услугах, сборе сейсмических данных, производстве специализированного оборудования и операциях на заводах. Местные сообщества получают выгоду от долгосрочных рабочих мест, выплат роялти и налоговых поступлений. По мере снижения затрат EGS, согласно анализу Министерства энергетики США, прогнозируется, что в 2020-х годах станет конкурентоспособной по стоимости с природным газом.

Проблемы и стратегии смягчения

Несмотря на свои обещания, EGS сталкивается с рядом технических и нетехнических препятствий, которые требуют постоянных инноваций.

Внушенная сейсмичность

Наиболее широко освещаемая проблема заключается в риске индуцированных землетрясений, вызванных впрыском жидкости. Хотя большинство сейсмических событий являются микросейсмическими (< M2) и не ощущаются, более крупные события произошли в нескольких проектах (например, в Базеле, Швейцария в 2006 году и Поханге, Южная Корея в 2017 году).

• Протоколы светофора: Мониторинг в реальном времени и автоматическое уменьшение или остановка впрыска, если величины события превышают заранее заданные пороги.
• Управление давлением: Использование давления инъекций ниже градиента трещины образования и постепенное нарастание, а не применение внезапного высокого давления.
• Проектирование сети с изгибом: Стимулирование множественных небольших переломов, а не одного большого, уменьшает размер потенциальных событий.
• Предварительно существующие оценки сейсмической опасности: Региональные оценки сейсмической опасности и сейсморазведочные исследования высокого разрешения 3D помогают операторам избежать критических неисправностей.