Горячая сухая порода (HDR) — чрезвычайно богатый источник геотермальной энергии , к которому трудно получить доступ. Огромный запас тепловой энергии содержится в горячих, но по сути сухих и непроницаемых кристаллических фундаментных породах, которые встречаются почти везде глубоко под поверхностью Земли. [1] Метод извлечения полезных объемов геотермальной энергии из HDR был разработан в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1970 году, и исследователи лаборатории получили патент США, охватывающий его. [2]
Эта технология была широко протестирована с несколькими глубокими скважинами, пробуренными в нескольких областях по всему миру, включая США, Японию, Австралию, Францию и Великобританию, и инвестициями миллиардов исследовательских фондов. Она продолжает оставаться в центре внимания, наряду с родственной технологией под названием Enhanced Geothermal System (EGS), для масштабных правительственных исследований, включающих дорогостоящее глубокое бурение и исследования горных пород. Тепловая энергия была извлечена в достаточно устойчивых испытаниях в течение нескольких лет, и в некоторых случаях также была достигнута генерация электроэнергии. Однако никаких коммерческих проектов не ведется или не планируется из-за высокой стоимости и ограниченной емкости спроектированных резервуаров, связанных скважин и насосных систем. Обычно испытания открывали только одну или несколько трещин, так что области теплообмена на поверхности резервуара были ограничены. Для того чтобы эта технология успешно конкурировала с другими источниками энергии, затраты на бурение должны были бы резко снизиться или должны были бы быть установлены новые подходы, которые приводят к гораздо более обширным, сложным и более скоростным путям потока через фактические сети трещин. Энтузиазм в исследовательском сообществе оправдан огромными масштабами поставок энергии и низким воздействием метода на окружающую среду, однако для того, чтобы превратить этот источник энергии в коммерческий источник, потребуются значительные прорывы.
Хотя ее часто путают с относительно ограниченным гидротермальным ресурсом, уже в значительной степени коммерциализированным, геотермальная энергия HDR сильно отличается. [3] В то время как производство гидротермальной энергии может использовать горячие жидкости, уже имеющиеся в земной коре , система HDR (состоящая из резервуара HDR под давлением, скважин, пробуренных с поверхности, и поверхностных насосов для нагнетания и связанной с ними сантехники) извлекает тепло Земли из жарких, но сухих регионов посредством замкнутой циркуляции нагнетаемой жидкости. Эта жидкость, нагнетаемая с поверхности под высоким давлением, открывает уже существующие трещины в подвальной породе, создавая искусственный резервуар, который может быть размером до кубического километра. Жидкость, нагнетаемая в резервуар, поглощает тепловую энергию с высокотемпературных поверхностей породы, а затем передает тепло на поверхность для практического использования.
Идея глубокой добычи тепла из горячих сухих горных пород была описана Константином Циолковским (1898), Чарльзом Парсонсом (1904) и Владимиром Обручевым (1920). [4]
В 1963 году в Париже была построена геотермальная система отопления, использующая тепло природных трещиноватых горных пород. [4]
Проект Фентон-Хилл был первой системой извлечения геотермальной энергии HDR из искусственно сформированного резервуара; он был создан в 1977 году. [4]
Поскольку резервуар формируется путем расширения соединений под давлением, упругая реакция окружающего скального массива приводит к образованию области плотно сжатой, запечатанной породы на периферии, что делает резервуар HDR полностью замкнутым и изолированным. Поэтому такой резервуар полностью спроектирован, поскольку физические характеристики (размер, глубина, на которой он создан), а также рабочие параметры (давление закачки и добычи, температура добычи и т. д.) могут быть заранее спланированы и тщательно проконтролированы. С другой стороны, плотное сжатие и замкнутая природа резервуара серьезно ограничивают количество и скорость, с которой может быть извлечена энергия.
Как описал Браун, [5] геотермальная энергетическая система HDR разрабатывается, во-первых, с помощью обычного бурения для доступа к области глубокой, горячей подстилающей породы. После того, как было определено, что выбранная область не содержит открытых разломов или соединений (наиболее распространенная ситуация), изолированный участок первой скважины подвергается давлению на уровне, достаточно высоком, чтобы открыть несколько наборов ранее запечатанных соединений в скальном массиве. С помощью непрерывной откачки (гидравлической стимуляции) создается очень большая область стимулированной породы (резервуар HDR), которая состоит из взаимосвязанного массива совместных путей потока внутри скального массива. Открытие этих путей потока вызывает движение вдоль активированных давлением соединений, генерируя сейсмические сигналы (микроземлетрясения). Анализ этих сигналов дает информацию о местоположении и размерах разрабатываемого резервуара.
Обычно HDR-резервуар формируется в форме эллипсоида , с его самой длинной осью , ортогональной наименьшему главному напряжению Земли. Затем к этой стимулированной давлением области получают доступ две эксплуатационные скважины, пробуренные для пересечения HDR-резервуара вблизи удлиненных концов стимулированной области. В большинстве случаев начальная скважина становится нагнетательной скважиной для трехскважинной системы циркуляции воды под давлением.
В процессе эксплуатации жидкость нагнетается под давлением, достаточно высоким для того, чтобы удерживать открытой взаимосвязанную сеть соединений против напряжений Земли и эффективно циркулировать жидкость через резервуар HDR с высокой скоростью. Во время обычного производства энергии давление нагнетания поддерживается чуть ниже уровня, который вызвал бы дальнейшее стимулирование давлением окружающего скального массива, чтобы максимизировать производство энергии, ограничивая при этом дальнейший рост резервуара. Однако ограниченный размер резервуара ограничивает энергию резервуара. Между тем, работа под высоким давлением значительно увеличивает стоимость трубопроводных и насосных систем.
Объем вновь созданного массива открытых трещин в резервуаре HDR составляет намного меньше 1% от объема стимулированной давлением горной массы. Поскольку эти трещины продолжают оказывать давление и охлаждаться - расширяться, общее сопротивление потоку через резервуар уменьшается, что приводит к высокой тепловой производительности. Если охлаждение приводит к охлаждающим трещинам таким образом, что обнажается больше породы, то возможно, что эти резервуары могут улучшиться со временем. На сегодняшний день сообщается, что рост энергии резервуара происходит только за счет новых дорогостоящих усилий по стимуляции скважин высокого давления.
Возможность добычи тепла из глубин Земли была доказана в двух отдельных демонстрациях потока HDR-резервуара — каждый из которых включал около одного года циркуляции — проведенных Лос-Аламосской национальной лабораторией в период с 1978 по 1995 год. Эти новаторские испытания проводились на испытательном полигоне HDR лаборатории Фентон-Хилл в горах Джемес на севере центральной части Нью-Мексико , на глубине более 8000 футов (2400 м) и при температуре горных пород свыше 180 °C. [6] Результаты этих испытаний окончательно продемонстрировали инженерную жизнеспособность революционной новой концепции геотермальной энергии HDR. Два отдельных резервуара, созданных в Фентон-Хилл, по-прежнему являются единственными действительно ограниченными геотермальными резервуарами HDR, испытанными потоком где-либо в мире. Хотя эти испытания показали, что системы HDR могут быть построены, скорости потока и скорости извлечения энергии не оправдали стоимость скважин. [ необходима цитата ]
Первый резервуар HDR, испытанный в Фентон-Хилл, резервуар фазы I, был создан в июне 1977 года, а затем испытан на поток в течение 75 дней, с января по апрель 1978 года, при уровне тепловой мощности 4 МВт. [7] Окончательная скорость потери воды при давлении нагнетания на поверхности 900 фунтов на квадратный дюйм (6,2 МПа) составила 2 галлона США в минуту (7,6 л/мин) (2% от скорости нагнетания). Было показано, что этот начальный резервуар по сути состоит из одного расширенного давлением, почти вертикального соединения с исчезающе малым сопротивлением потоку 0,5 фунтов на квадратный дюйм/галлон США/мин (0,91 кПа/л/мин).
Первоначальный резервуар Фазы I был расширен в 1979 году и далее испытывался на поток в течение почти года в 1980 году. [8] Самое важное, что этот тест на поток подтвердил, что расширенный резервуар также был ограничен и показал низкую скорость потери воды в 6 галлонов в минуту. Этот резервуар состоял из единственного почти вертикального соединения первоначального резервуара (который, как отмечалось выше, испытывался на поток в течение 75 дней в начале 1978 года), дополненного набором новых стимулированных давлением почти вертикальных соединений, которые были несколько наклонены к простиранию первоначального соединения. [ необходима цитата ]
Более глубокий и горячий HDR-коллектор (фаза II) был создан во время масштабной операции по гидравлическому разрыву пласта (МГРП) в конце 1983 года. [8] Впервые он был испытан на приток весной 1985 года с помощью первоначального испытания на приток в замкнутом контуре (ICFT), которое длилось чуть больше месяца. [9] Информация, полученная от ICFT, легла в основу последующего долгосрочного испытания на приток (LTFT), которое проводилось с 1992 по 1995 год.
LTFT включал несколько отдельных стационарных прогонов потока, перемежаемых многочисленными дополнительными экспериментами. [10] В 1992–1993 годах были реализованы два стационарных периода циркуляции, первый в течение 112 дней и второй в течение 55 дней. Во время обоих испытаний вода регулярно добывалась при температуре более 180 °C и скорости 90–100 галлонов США/мин (20–23 м 3 /ч), что приводило к непрерывному производству тепловой энергии приблизительно 4 МВт. В течение этого периода времени давление в пласте поддерживалось (даже во время периодов остановки) на уровне около 15 МПа.
Начиная с середины 1993 года, резервуар был закрыт на период почти в два года, и приложенному давлению было позволено упасть практически до нуля. Весной 1995 года система была повторно нагнетена, и был проведен третий непрерывный цикл циркуляции в течение 66 дней. [11] Примечательно, что параметры добычи, наблюдаемые в двух предыдущих испытаниях, были быстро восстановлены, и устойчивое производство энергии возобновилось на том же уровне, что и раньше. Наблюдения во время как фазы закрытия, так и фазы эксплуатации всех этих периодов испытания потока предоставили четкие доказательства того, что порода на границе этого искусственного резервуара была сжата за счет повышения давления и последующего расширения области резервуара.
В результате LTFT потеря воды была устранена как главная проблема в операциях HDR. [12] За период LTFT потребление воды упало до всего лишь 7% от количества закачанной воды; и данные показали, что оно продолжало бы снижаться в условиях устойчивой циркуляции. Растворенные твердые частицы и газы в добываемой жидкости быстро достигли равновесных значений при низких концентрациях (около одной десятой солености морской воды), и жидкость оставалась геохимически благоприятной в течение всего периода испытаний. [13] Рутинная эксплуатация автоматизированной поверхностной установки показала, что энергетические системы HDR могут работать с использованием тех же экономичных графиков персонала, которые уже используются рядом беспилотных коммерческих гидротермальных установок.
Испытания Fenton Hill наглядно продемонстрировали преимущества полностью спроектированного HDR-резервуара по сравнению с природными гидротермальными ресурсами, включая EGS. При всех основных физических характеристиках резервуара, включая объем породы, емкость жидкости, температуру и т. д., установленных во время инженерного создания зоны резервуара, и при всем объеме резервуара, заключенном в гипернапряженную периферию запечатанной породы, любые изменения в условиях эксплуатации полностью определяются преднамеренными изменениями, внесенными на поверхности. Напротив, естественный гидротермальный «резервуар», который по сути является открытым и, следовательно, неограниченным (имея границы, которые сильно изменчивы), по своей сути подвержен изменениям в естественных условиях. С другой стороны, менее ограниченные, более сложные, с более низким давлением и более широко распространенные трещиноватые природные системы поддерживают гораздо более высокие дебиты скважин и низкозатратную разработку генерации энергии. [ необходима цитата ]
Другим преимуществом резервуара HDR является то, что его ограниченная природа делает его весьма подходящим для операций отслеживания нагрузки, при которых скорость производства энергии варьируется для удовлетворения изменяющегося спроса на электроэнергию — процесс, который может значительно повысить экономическую конкурентоспособность технологии. [14] Эта концепция была оценена ближе к концу периода испытаний Фазы II, когда производство энергии увеличивалось на 60% в течение 4 часов каждый день за счет запрограммированного сброса давления из областей резервуара высокого давления, окружающих эксплуатационную скважину. В течение двух дней стало возможным компьютеризировать процесс, так что производство автоматически увеличивалось и уменьшалось в соответствии с желаемым графиком для оставшейся части периода испытаний. Переходы между двумя уровнями производства занимали менее 5 минут, и на каждом уровне стабильное производство постоянно поддерживалось. Такие операции отслеживания нагрузки не могли быть реализованы в естественной гидротермальной системе или даже в системе EGS из-за неограниченного объема и граничных условий. Отслеживание нагрузки почти никогда не улучшает экономику геотермального развития, поскольку стоимость топлива фактически оплачивается авансом, поэтому отсрочка использования только вредит экономике. Обычные геотермальные системы также (по необходимости) применялись для отслеживания нагрузок, но этот тип генерации увеличивает расходы на техническое обслуживание и, как правило, снижает доход (несмотря на более высокие цены на часть нагрузки). [ необходима цитата ]
Эксперименты в Фентон-Хилл наглядно продемонстрировали, что технология HDR уникальна не только в отношении того, как создается и циркулирует резервуар под давлением, но и из-за гибкости управления, которую она предлагает. Она имеет общее с обычной гидротермальной технологией только то, что обе основаны на скважинах, которые производят горячую воду, которая питает генераторы. [ необходима цитата ]
В 1986 году был начат проект HDR-системы Франции и Германии в Soultz-sous-Forêts . В 1991 году скважины были пробурены на глубину 2,2 км и стимулированы. Однако попытка создания резервуара оказалась безуспешной, так как наблюдались высокие потери воды. [15] [16]
В 1995 году скважины были углублены до 3,9 км и стимулированы. Резервуар был успешно создан в 1997 году, и был достигнут четырехмесячный тест циркуляции с расходом 25 л/с (6,6 галлонов США/с) без потери воды. [16]
В 2003 году скважины были углублены до 5,1 км. Были проведены стимуляции для создания третьего резервуара, во время испытаний циркуляции в 2005-2008 годах вода была получена при температуре около 160 °C с низкой потерей воды. Было начато строительство электростанции. [17] Электростанция начала вырабатывать электроэнергию в 2016 году, она была установлена с общей мощностью 1,7 МВт эл . [18] Испытательная установка мощностью 1,7 МВт является чисто демонстрационной установкой. Для сравнения, обычная разработка геотермальной электростанции обычно включает начальные установки от 10 до 100 МВт. Эти установки могут быть коммерчески успешными, но намного дешевле, чем система HDR, с более мелкими скважинами, которые производят на порядки больше энергии, в недорогие трубопроводы и электростанции. Кажется возможным, что произойдут прорывы, которые позволят нам получить доступ к огромным объемам тепловой энергии, хранящейся в глубоких породах, с помощью технологии HDR, но на горизонте, похоже, очень мало прорывов, особенно по сравнению с быстрым прогрессом, достигнутым в области гораздо менее рискованных комбинаций солнечной энергии и батарей. [ необходима цитата ]
Имеются многочисленные отчеты об испытаниях неограниченных геотермальных систем, стимулированных давлением в кристаллических породах фундамента: например, в карьере Rosemanowes в Корнуолле, Англия; [19] в кальдерах Hijiori [20] и Ogachi [21] в Японии; и в бассейне Купера , Австралия. [22] Однако все эти «спроектированные» геотермальные системы, хотя и разработанные в рамках программ, направленных на исследование технологий HDR, оказались открытыми, о чем свидетельствуют высокие потери воды, наблюдаемые во время циркуляции под давлением. [23] По сути, все они являются EGS или гидротермальными системами, а не настоящими резервуарами HDR.
Концепция EGS была впервые описана исследователями из Лос-Аламоса в 1990 году на геотермальном симпозиуме, спонсируемом Министерством энергетики США (DOE) [24] — за много лет до того, как DOE ввело термин EGS в попытке подчеркнуть геотермальный аспект добычи тепла, а не уникальные характеристики HDR.
Гидротермальная технология Hot Wet Rock (HWR) использует горячие жидкости, которые естественным образом присутствуют в подстилающей породе; но такие условия HWR редки. [25] Значительная часть мировой геотермальной ресурсной базы (более 98%) находится в форме подстилающей породы, которая горячая, но сухая — без естественно доступной воды. Это означает, что технология HDR применима практически везде на Земле (отсюда и утверждение, что геотермальная энергия HDR вездесуща). С другой стороны, неэкономичный ресурс на самом деле является просто хранилищем энергии и не приносит пользы.
Обычно температура в этих обширных регионах доступной кристаллической породы фундамента увеличивается с глубиной. Этот геотермический градиент, который является основной переменной ресурса HDR, варьируется от менее 20 °C/км до более 60 °C/км в зависимости от местоположения. Сопутствующей экономической переменной HDR является стоимость бурения на глубинах, на которых температура породы достаточно высока, чтобы обеспечить разработку подходящего резервуара. [26] Появление новых технологий бурения твердых кристаллических пород фундамента, таких как новые буровые коронки PDC (поликристаллический алмазный компакт), буровые турбины или ударные технологии с приводом от жидкости (например, Mudhammer [27] ), может значительно улучшить экономику HDR в ближайшем будущем.
Как отмечалось выше, в конце 1990-х годов DOE начало называть все попытки извлечения геотермальной энергии из подземных пород «EGS», что привело к биографической и технической путанице. С биографической точки зрения существует большое количество публикаций, в которых обсуждается работа по извлечению энергии из HDR без какого-либо упоминания термина EGS. Таким образом, поиск в Интернете с использованием термина EGS не идентифицирует эти публикации. [ необходима цитата ]
Но техническое различие между HDR и EGS, как поясняется в этой статье, может быть даже более важным. Некоторые источники описывают проницаемость подземных пород Земли как континуум, варьирующийся от полностью непроницаемых HDR до слабо проницаемых HWR и высокопроницаемых обычных гидротермальных. [28] Однако эта концепция континуума технически неверна. Более подходящим взглядом было бы рассматривать непроницаемые HDR-породы как отдельное состояние от состояния континуума проницаемых пород — так же, как можно было бы рассматривать полностью закрытый кран как отличный от открытого в любой степени, будь то поток тонкой струйкой или потоком. Точно так же технологию HDR следует рассматривать как полностью отличную от EGS. К сожалению, нелегко открыть кран, чтобы получить значительный поток. [ требуется цитата ]
Полная книга о развитии HDR, включая полный отчет об экспериментах в Фентон-Хилл, была опубликована издательством Springer-Verlag в апреле 2012 года. [6]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )