地热发电是一种利用地球热能发电的可持续能源,它提供了化石燃料的低碳基载替代物,但是传统的地热发电厂,特别是那些使用常规闪电或干蒸汽循环的发电厂,往往需要大量水来冷却和其他过程,这种依赖引起了对节水的关切,特别是在地热资源丰富的缺水地区,最近在冷却技术、流体管理和系统设计方面的创新旨在大幅度减少水的使用,使地热能源更可持续和更环保。

地热发电用水的挑战

传统的地热工厂通常依赖大量水进行冷却,这可能会对当地水资源造成压力,特别是在美国西部、东非和东南亚部分地区的干旱地区。 例如,美国能源部认为,一个典型的50兆瓦地热闪电厂利用湿冷塔,可能会消耗高达3.5±0.9立方米的地热,1兆瓦-1 h−1水。 在加利福尼亚帝国谷,高热能田生产近2000兆瓦,水消耗量与农业和城市需求竞争。 此外,如果将水排入地表体,水消耗会导致热污染,影响水生态系统。 抽取地下水进行冷却还会导致水库压力下降,降低植物效率和寿命。 应对这些挑战对于可持续地扩大地热能至关重要,特别是因为气候变化加剧了缺水。

减少水的创新办法

1. 干冷却技术

干冷却系统使用空气而不是水来凝固蒸汽,大大减少 — — 或在某些情况下消除 — — 水消耗。 主要的有两种:空气冷凝器(ACC)和干冷凝塔。 传统的干冷却在热环境温度中效率较低,因为空气密度和热容量降低,材料和设计的进步正在提高。 比如,使用强化热交换器表面(例如,有疏水涂层的鳍管)可以提高热能转移效率。 混合干湿相混合的冷却配置在节热的同时也有助于维持顶峰期的发电。 一个显著的例子是内华达州Mammoth北地热处理项目,与常规湿冷相比,混合干湿冷系统减少了90%的水使用。 国际可再生能源机构(IRENA)估计,采用高效干冷可以减少地热工厂80-95%的水消耗。

2. 重新喷射产生的流体

许多地热工厂现在将冷却的地热液体重新注入水库,最大限度地减少从外部源头取水。这种封闭式漏水系统不仅节约水,而且有助于保持水库的压力,延长资源寿命。典型的再喷射率超过所生产的盐水的90%,但因缩放、硅沉降或渗透性问题而可能出现损失。 创新的再喷射技术包括使用定向喷井、预处理液以防止挤压,以及利用智能井技术利用下洞传感器优化喷射模式。 例如,加利福尼亚州盖泽斯地热场对经处理的废水的再喷射不仅减少了淡水需求,而且提高了蒸汽产量。 先进的水库地球化学模型有助于预测和减轻规模,确保长期可持续运行。 根据国家可再生能源实验室(NREL),优化再喷洒可以将外部用水需求降低95%。

3. 使用非易发水源

使用非饮用水,如经处理的城市废水、咸水地下水或石油和天然气作业产生的水,减少了对淡水的需求。 这种方法在缺水地区特别宝贵,确保可持续运行而不消耗当地供水。 在美国,能源部地热技术办公室已经资助了几个利用回收水进行冷却的项目。 内华达州的迪西河谷地热厂利用附近农业径流产生的经处理的废水,每年减少超过150万立方米的淡水消耗。 另一个创新例子是冰岛的Hellishei ⁇ i地热发电站,它利用附近的河流供水,但也实施先进的水处理设施,在内部循环冷却水,大大减少了整体摄入量。 利用非饮用水供应源也避免了与饮用水供应的竞争,这在中东和北非等干旱地区至关重要。

4. 高级二进制循环和超临界二氧化碳系统

使用沸点较低的二次工作液(如异丁烷或五烷)的二元循环地热工厂已经在封闭循环中运行,对动力循环的用水消耗也很小。 但是,先进的二元设计现在包含了空气冷凝器或热电联产等功能,以提高整体用水效率。 一个革命性的发展是使用超临界二氧化碳(sCO2)作为封闭式地热系统的工作液。 SCO2吸收热量比蒸汽效率更高,并消除了某些配置中的水冷的必要性。 能源部的FORGE项目(地热能研究前沿观测站)正在强化地热系统(EGS)中测试SCO2,早期结果显示,该研究显示在近零水消耗方面的潜力。 麻省理工学院的一项研究估计,与类似的闪电厂相比,SCO2系统可以减少40-70%的植物用水。

5. 增强地热系统和裂变技术

环境商品和服务通常需要水来进行液压裂解以产生水库渗透性。 裂解的创新 — — 如使用液态二氧化碳或氮泡沫 — — 降低了水的强度。 例如,美国DGE的犹他FORGE项目使用水和凝胶添加剂的组合,以尽量减少每个断裂阶段的总用水量。 此外,循环压力脉冲和热刺激技术可以在不过度注入水的情况下产生渗透性。 俄勒冈州纽贝里火山的EGS试点利用不到500立方米的水,这是早期工程需要的一小部分。 研究人员也在探索使用自然断裂和依赖最低水循环的“干”环境商品和服务概念。 2023年的一项研究报告说,优化环境商品和服务的水使用率可以低至0.5 m3 MW-1—1,而传统地热的利用量为3–5 m3。

未来方向和研究

正在进行的研究侧重于提高干冷效率,开发更好的再喷射技术,探索替代水源。 先进材料(如气凝胶绝缘、金属有机水捕获框架)、机器学习数字监测以及下一代地热系统等创新正在帮助优化用水和减少环境影响。

提高干冷却效率

研究旨在通过双压系统、喷雾辅助干冷以及热能储存来提高干冷性能,将冷却负荷转移到更冷的时数。 能源部的先进干冷举措已经资助了热储存与地热厂对接的示范,从而在使用最低水量的同时,能增加30%的年功率。 此外,光伏驱动冷却器可以在热天增加空气冷却。

数字监测和基于AI的优化

将互联网传感器与AI算法相结合,可以实时监测储水层条件、流体化学和冷却效率。 比如,盖瑟斯的霍恩斯比储水层监测系统利用光纤分布式温度感知来检测热冷地区,引导重投以最大限度地实现蒸汽回收和尽量减少水流失。机器学习模型可以预测规模化事件和调整注入时间表,将用水量减少10%。 这种数字双胞胎可以使操作者模拟节水情景,而不会干扰生产。

高级材料和地球化学

新的吸附剂和膜技术可以从地热蒸汽或废气中回收水. 劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员开发出一种热能反应聚合物,可以在高温下从蒸汽中提取水,有可能回收高达90%的流程水。 与此同时,地球化学跟踪仪帮助绘制水库中流体的地图,从而可以精确地进行再喷射管理。 耐硅缩放的粘合剂可以降低井闭塞的清洁频率,既节省水又节省能源。

补充办法

另一个有希望的途径是将地热厂与海水淡化装置结合起来,在冷却工作液的同时利用废热生产淡水。 在冰岛雷克雅内斯地热厂的试点实现了每天300立方米的淡水共同生产,而无需额外的能源投入。 同样,利用过量的地热直接用于温室供暖或地区供暖,降低了动力循环的冷却负荷,从而降低了水消耗。

地热工业通过将干燥和混合冷却、先进再喷射、非饮用水使用以及二氧化碳系统等新兴技术结合起来,正在向接近零水消耗的方向发展。 这些创新不仅提高了地热电源的可持续性,而且使水位紧张地区的部署得以释放出清洁、可靠的能源的巨大潜力。 随着研究的继续,我们可以期望更高效的无水地热工厂成为标准,使地热成为全球可再生能源组合的基石。