Русская Википедия:Геотермальная циркуляционная система
1 — резервуар
2 — насос
3 — теплообменник
4 — турбинное отделение
5 — добычные скважины
6 — нагнетательная скважина
7 — линия теплоснабжения
8 — осадочные породы
9 — наблюдательная скважина
10 — горные породы
Геотерма́льная циркуляцио́нная систе́ма (ГЦС) — система для извлечения тепловой энергии из недр Земли с целью её использования для теплоснабжения или производства электроэнергии. От традиционных геотермальных систем отличается тем, что отработанный теплоноситель закачивается обратно под землю.
Терминология
Понятие «геотермальная циркуляционная система» было введено в 1970-е советскими горными теплофизиками О. А. Кремнёвым, Ю. Д. Дядькиным и А. Н. ЩербанемШаблон:Sfn.
В англоязычной литературе для обозначения геотермальных циркуляционных систем, к которым было применено искусственное стимулирование коллектора, используется термин enhanced (или engineered) geothermal system (EGS) — улучшенная (или искусственная) геотермальная системаШаблон:Sfn. Данное понятие было предложено в 1999 году исследователями М. Грассиани, З. Кригером и Х. Легманном.Шаблон:Sfn.
Принцип действия
Принцип действия ГЦС состоит в следующем. Через добычную скважину происходит извлечение теплоносителя (как правило, воды с примесями) из эксплуатируемого водоносного горизонта (подземного коллектора) на поверхность. Далее происходит отбор тепла теплоносителя, после чего он, при помощи насоса, через нагнетательную скважину закачивается обратно в пласт.Шаблон:Sfn
В зависимости от наличия в пласте геотермальных вод естественного происхождения, ГЦС может быть как гидротермальной, так и петротермальной. В последнем случае необходимо искусственно создавать в породе каналы для циркуляции теплоносителя и закачивать в неё воду из внешнего источника.Шаблон:Sfn
Для повышения проницаемости пород и увеличения площади поверхности теплосъёма применяют методы искусственного стимулирования, к наиболее распространённым из которых относятся гидравлический разрыв массива и кислотная обработка призабойной зоны.Шаблон:Sfn
Чтобы предотвратить коррозию и солеотложения в коммуникациях, используется двухконтурная схема: геотермальный флюид через теплообменник передаёт тепло чистой воде, циркулирующей в отдельном контуреШаблон:Sfn. Полученная теплота может использоваться как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии при помощи паровой турбины. Однако, использовать ГЦС в качестве электростанции целесообразно только в том случае, когда температура теплоносителя не ниже 100 °CШаблон:Sfn.
Преимущества и недостатки
ГЦС имеют серьёзные преимущества перед традиционными геотермальными системами:
- Традиционные ГС могут работать лишь в крайне ограниченном числе мест, тогда как ГЦС — практически повсеместно.Шаблон:Sfn
- Степень извлечения тепла из недр значительно выше.Шаблон:Sfn
- Стабильная продуктивность за счёт поддержания давления в пласте.Шаблон:Sfn
- Поскольку геотермальная вода, после её отработки, закачивается обратно под землю, то полностью исключается возможность загрязнения окружающей среды минерализованными водамиШаблон:Sfn, а при использовании двухконтурных систем — и выброса в атмосферу диоксида углеродаШаблон:Sfn.
Вместе с тем, они имеют и некоторые недостатки:
- Строительство и обслуживание ГЦС обходится существенно дороже, чем традиционных ГС.Шаблон:Sfn
- Обратная закачка теплоносителя требует значительного расхода энергии. В результате эксплуатация ГЦС обходится в 2—3 раза дороже эксплуатации фонтанной системы.Шаблон:Sfn При этом, с течением времени приемистость нагнетательной скважины, как правило, снижается.Шаблон:Sfn
- Коррозия и солеотложение, обусловленные работой с минерализованными водами, затрудняют эксплуатацию насосного оборудования и засоряют скважины.Шаблон:Sfn
Охлаждение пласта
В результате обратного закачивания охлаждённого теплоносителя, со временем неизбежно происходит охлаждение пласта. Из-за этого снижается мощность станции.
Выделяют 2 фазы эксплуатации ГЦС:
- Первая фаза — когда температура теплоносителя на выходе из подземного коллектора близка к начальной температуре пласта.
- Вторая фаза начинается, когда температура теплоносителя становится меньше начальной температуры пласта, и заканчивается, когда температура теплоносителя на выходе из коллектора приближается к температуре теплоносителя на входе в коллектор. После этого дальнейшая эксплуатация системы становится невозможной.
Время эксплуатации ГЦС может быть рассчитано по формуле:
- <math>\tau = \frac{\pi C_0 \rho _H h R^2}{3 C_B G}</math>
где <math>\tau</math> — время, с, <math>C_0</math> — теплоёмкость пласта, кДж/кг, <math>\rho _H</math> — плотность термальной воды в скважинах, кг/м3, <math>h</math> — мощность пласта, м, <math>R</math> — расстояние между нагнетательной и добычной скважинами, м, <math>C_B</math> — теплоёмкость воды в пласте, кДж/кг, <math>G</math> — дебит циркуляционной системы, кг/с.Шаблон:Sfn
В 2006 году срок службы ГЦС оценивался в 20—30 лет, при условии проведения стимулирования коллектора каждые 6 летШаблон:Sfn.
Наведённая сейсмичность
Стимулирование коллекторов геотермальных систем может спровоцировать землетрясения. Максимальная сейсмическая активность может достигать 3,0—3,7 единицы по шкале РихтераШаблон:Sfn.
Подобные землетрясения происходили в Швейцарии, Германии и других странах[1]. В 2017 в Южной Корее произошло en (2017 Pohang earthquake) магнитудой 5,4 единицы[2].
Тем не менее, применение новых технологий позволяют существенно снизить сейсмическую активность при гидроразрывеШаблон:Sfn.
Исторические и действующие ГЦС
По данным на 2013 год, в мире было реализовано 20 проектов ГЦС с искусственно стимулированным коллектором, 14 из которых — действующие электростанции, и 8 находилось в стадии разработкиШаблон:Sfn. Теплоснабжающих ГЦС с естественным коллектором было создано несколько сотенШаблон:Sfn.
Проекты по созданию и эксплуатации ГЦС существовали или существуют в США, Великобритании, Германии, Австралии, Франции, Японии, Швеции, Италии, Сальвадоре, Швейцарии, Китае, АвстралииШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Франция
Первая ГЦС, использующая тепло пористых горных пород, была построена в Париже в 1963 году и предназначалась для отопления комплекса Brodkastin Chaos.[3][4]Шаблон:Sfn
Soultz-sous-Forêts
В середине 1980-х был начат совместный проект Франции, Германии и Великобритании по созданию петротермальной ГЦС в Сульц-су-Форе. Позднее к нему также подключились группы учёных из Италии, Швейцарии и Норвегии, а также в нём приняли некоторое участие учёные из США и Японии.
К 1991 году скважины были пробурены на глубину до 2,2 км, и проведено гидравлическое стимулирование коллектора. Однако, имели место большие потери жидкости. Как позднее было установлено, это произошло по причине того, что горные породы на глубине 2—3 км здесь имели большое число разломов и трещиноватостей естественного происхождения, куда и утекла жидкость.Шаблон:Sfn
К 1995 году были пробурены скважины глубиной до 3,9 км, где температура составляла 168 °C. При помощи гидроразрыва был создан коллектор, после чего были начаты опыты по циркуляции. Температура добываемой воды составляла 136 °C, закачиваемой — 40 °C, при тепловой мощности 9 МВт. В 1997 году, после дополнительного стимулирования, тепловая мощность достигла 10 МВт, при этом на работу насосного оборудования требовалось всего лишь 250 кВт. Эксперимент по циркуляции на уровне 25 кг/с длился 4 месяца, потерь теплоносителя не было.Шаблон:Sfn
Позднее к проекту присоединились промышленные корпорации. К 2003 году скважины углубили до 5,1 км.Шаблон:Sfn При помощи нескольких гидравлических и химических стимулирований был создан коллектор, в 2005—2008 был проведён ряд циркуляционных тестов, в ходе которых удалось на выходе из коллектора получить теплоноситель с температурой около 160 °C.[5] Было начато строительство электростанции, которая была запущена в сентябре 2016 года и с тех пор успешно эксплуатируется в непрерывном режиме. Её электрическая мощность составляет 1,7 МВт.[6]
Последующие проекты
В конце 1980-х был начат проект по созданию петротермальной ГЦС близ Виши. Были пробурены скважины около 800 м глубиной и проведено стимулирование, после чего совершены циркуляционные тесты.Шаблон:Sfn
В 2014 году на ГЦС-технологию было переведено геотермальное месторождение fr (Centrale géothermique de Bouillante) на островах Гваделупы. До этого отработанные геотермальные воды сбрасывались в море. Благодаря вулканической активности, здесь уже на глубине 320 м температура достигает 250 °C. Тепловая мощность системы составляет 15,75 МВт.Шаблон:Sfn
США
Fenton Hill
Первая геотермальная циркуляционная система, извлекающая тепло из непроницаемых горных пород, была построена Лос-Аламосской национальной лабораторией в Нью-Мексико в ходе проекта Fenton HillШаблон:Sfn. Проект был запущен в 1974 году. Для создания коллектора была применена технология гидроразрыва. Глубина первого коллектора составляла около 2,7 км, температура пород — около 180 °C. С 1977 по 1980 год было проведено 5 экспериментальных запусков общей продолжительностью 417 дней. Тепловая мощность составляла от 3 до 5 МВт, что позволило получить 60 кВт на выходе паротурбинного генератора.
В дальнейшем были пробурены скважины до 4,4 км, где температура достигала 327 °C. Второй коллектор в 1986 году эксплуатировался в тестовом режиме в течение 30 дней. Температура воды, извлекаемой из коллектора, составляла 192 °C. Давление в нагнетательной скважине составляло от 26,9 до 30,3 МПа.
Ещё один тестовый пуск был проведён в 1992 году. После 112 дней работы из-за поломки нагнетательного насоса система была остановлена. В течение первых 55 дней температура воды из добычной скважины превосходила 180 °C, позднее начала снижаться.
В 2000 году из-за сокращения финансирования проект был закрыт.Шаблон:Sfn
Последующие проекты
В США было реализовано несколько проектов гидротермальных ГЦС, в частности, Coso (2001), Desert Peak (2001), Glass Mountain, Geysers-Clear LakeШаблон:Sfn.
Великобритания
Rosemanowes Quarry
В 1977 году был запущен экспериментальный проект петротермальной ГЦС [[|en]] (Rosemanowes Quarry) в Корнуолле. Он был намеренно ограничен температурами пород до 100 °C, чтобы избежать проблем при бурении. В 1983 были пробурены нагнетательная и добычная скважина на глубину 2,6 км, где температура достигала 100 °C. Был осуществлён гидроразрыв гранитного массива, и в 1985 году началась циркуляция теплоносителя. Она продолжалась 4 года, средний поток теплоносителя составлял 20—25 кг/с, температура на выходе из коллектора вначале составляла 80,5 °C, в конце снизилась до 70,5 °C. Из-за того, что при стимулировании образовалась неудачная структура трещин, имели место значительные потери теплоносителя, кроме того, он попадал из нагнетательной в добычную скважину слишком быстро, не получая достаточного количества теплоты.Шаблон:Sfn
Германия
В 1976—1978 годах был реализован проект Falkenberg в Баварии. Был создан коллектор на глубине около 450 м и проведены циркуляционные тесты с потоком 3—4 кг/с. Проект продолжался до 1983 года.Шаблон:Sfn
В 1977 году был начат проект Bad Urach в Швабских Альпах, неподалёку от Штутгарта. Были пробурены скважины глубиной 3,5 км и проведены стимулирования, после чего произведены удачные циркуляционные тесты. На базе данного проекта была создана электростанция.Шаблон:Sfn
В 2003 году был реализован проект ГЦС-электростанции de (Geothermiekraftwerk Neustadt-Glewe) (Нойштадт-Глеве) с электрической мощностью 230 кВтШаблон:Sfn.
В 2003 был начат de (Geothermiekraftwerk Landau), были пробурены скважины глубиной 3,3 км, где температура составляет около 160 °C. Было проведено гидравлическое и химическое стимулирование. В 2007 году запущена бинарная установка с электрической мощностью 3 МВт. Температура поступающего на неё теплоносителя составляет 160 °C, отработанный теплоноситель имеет температуру 70-80 °C и используется для отопления около 8000 зданий, после чего он имеет температуру около 50 °C и закачивается обратно в коллектор.Шаблон:Sfn
Также в Германии существуют проекты Horstberg (2003), коммерческий проект OffenbachШаблон:Sfn, Bruchal, en (Insheim Geothermal Power Station), Genesys, HannoverШаблон:Sfn.
СССР
С 1981 по 1990 год непрерывно эксплуатировалась ГЦС на Ханкальском месторождении термальных вод в Грозненском районе. Она использовалась для отопления теплично-парникового комплекса комбината «Тепличный».Шаблон:Sfn
Япония
В 1982 году был запущен проект Огати в префектуре Акита, в вулканической зоне. К 1992 году была пробурена скважина глубиной 1,1 км, где температура составляла 240 °C, и проведены стимулирования. Однако, эксперименты с циркуляцией показали, что, из-за плохого соединения между скважинами, возвращается только 3 % закачанной воды. Несколько повторных стимулирований позволили увеличить это значение до 25 %.Шаблон:Sfn
В 1989 был начат проект Хидзёри в префектуре Ямагата. Были пробурены скважины на глубину около 2 км и создан коллектор при помощи гидроразрыва. В 2000 году начался эксперимент с циркуляцией продолжительностью 1 год. В нагнетательную скважину закачивалось 15—20 кг/с воды температурой 36 °C, а из двух добычных возвращалось 5 кг/с температурой 163 °C и 4 кг/с температурой 172 °C. Общая тепловая мощность составляла 8 МВт. В конце эксперимента был запущен электрогенератор мощностью 130 кВт.Шаблон:Sfn
Швеция
В 1984 году был начат проект петротермальной ГЦС Fjällbacka, к северу от Уддеваллы. Был создан коллектор на глубине около 0,5 км и проведены циркуляционные тесты.Шаблон:Sfn
Россия
По данным на 2016 год, в России действуют ГЦС на Тернаирском и Кизлярском месторождениях термальных вод в Дагестане.Шаблон:Sfn
Экономический потенциал месторождений термальных вод в России оценивается в 50,1 миллионов тонн у.т./год при традиционной фонтанной эксплуатации, и в 114,9 миллионов тонн у.т./год — при ГЦС эксплуатации.Шаблон:Sfn
Сальвадор
Построенная в 1992 году в вулканическом комплексе Текапа ГЦС-электростанция Berlin, после химического стимулирования скважин, достигла электрической мощности 109,4 МВт.Шаблон:Sfn
Швейцария
В 1996 году начаты проекты по созданию петротермальных ГЦС электростанций в Базеле ([[|de]] (Deep Heat Mining Basel)) и ЖеневеШаблон:Sfn.
Австрия
В 1997 году в ГЦС была переоборудована геотермальная система Altheim. В 2000 году на ней была запущена бинарная установка для выработки электроэнергии. Поскольку температура воды на выходе из коллектора составляет всего 106 °C, в качестве рабочей жидкости в ней используется низкоэнтальпийный теплоноситель на основе фтороуглерода, что позволяет достичь электрической мощности 1 МВт (при тепловой мощности 12,4 МВт).Шаблон:Sfn
Австралия
С 1999 года в Австралии разрабатывался проект Hunter ValleyШаблон:Sfn.
В 2003 году в ходе проекта Cooper Basin в Южной Австралии были пробурены скважины глубиной около 4 км, где температура составляла около 250 °C. В ходе экспериментов с циркуляцией температура теплоносителя на выходе составляла 210 °C, при потоке 25 кг/с.Шаблон:Sfn
Канада
В 2019 году в окрестностях города [[|en]] (Rocky Mountain House) в канадской провинции Альберта компанией Eavor Technologies Inc. была построена демонстрационная петротермальная ГЦС Eavor-Lite. Её отличие от других петротермальных проектов состоит в том, что подземный коллектор был создан исключительно путём бурения, без использования гидроразрыва. Вертикальные нагнетательная и добычная скважины расположены на расстоянии 2,5 км друг от друга. На глубине 2,4 км они соединены друг с другом двумя многоствольными горизонтальными скважинами. Бурение осуществлялось при помощи технологий, используемых в нефтегазовой промышленности.[7][8]
Примечания
Литература
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Книга Шаблон:Архивировано
Ссылки
