Parannettu geoterminen järjestelmä (EGS) – määritelmä ja toimintaperiaate

Parannettu geoterminen järjestelmä (EGS) avaa mahdollisuuden tuottaa geotermistä sähköä myös ilman luonnollista pohjavettä — tehokas ja kestävä ratkaisu tulevaisuuden energiantuotantoon.

Tekijä: Leandro Alegsa

Tehostettu geoterminen järjestelmä (EGS) on geoterminen energiajärjestelmä, jolla voidaan tuottaa sähköenergiaa silloin, kun luonnollista maanalaista vettä ei ole. Pitkään geotermistä energiaa voitiin tuottaa vain silloin, kun samalla alueella oli kuumia kiviä, maanalaista vettä ja kallion halkeamia. Nyt luodaan uusia tapoja saada tätä energialähdettä. Ihmisten on muutettava alueita, joita voidaan mahdollisesti käyttää energian tuottamiseen, jotta energia saadaan hyödynnettäväksi. Näillä alueilla voidaan tarvita joko maanalaista vettä ja/tai kallion halkeamia tai halkeamaverkostoa. Parannetut geotermiset järjestelmät mahdollistavat geotermisen energian hyödyntämisen normaalien geotermisten alueiden, kuten aktiivisten mannerlaattojen rajojen, ulkopuolella ja vähemmän aktiivisilla alueilla, kuten Yhdysvaltojen länsiosissa.

Miten EGS toimii

Perusperiaate on lämpöenergian siirtäminen kuumasta kalliosta pintaan käyttämällä keinotekoisesti luotua tai parannettua huokoisuutta ja läpäisevyyttä kalliossa. Prosessi sisältää tyypillisesti seuraavat vaiheet:

  • Sijainnin valinta: etsitään riittävän kuuma kallioperä ja määritellään sopiva syvyys sekä geologinen rakenne.
  • Poraus: porataan vähintään kaksi kaivoa — injektio- ja tuotantokaivo — usein kilometrien syvyyteen.
  • Reservoirin stimulaatio: kallioon synnytetään tai laajennetaan halkeamia esimerkiksi hydraulisella stimulaatiolla (veden/fluidein pumppaaminen korkeassa paineessa), termisellä tai kemiallisella stimulaatiolla.
  • Kierrätys ja lämmönotto: jäähdyttävää vettä (tai muuta sopivaa työainetta) pumpataan injektiokaivosta sisään, se kiertää halkeamaverkostossa ottaen talteen kallioperän lämmön ja palaa tuotantokaivon kautta pintaan.
  • Sähköntuotanto ja lämmöntalteenotto: pintaan nostettu kuuma neste johtaa lämmön sähköntuotantolaitokseen (usein binary cycle -lämmönvaihtimiin matalemmilla lämpötiloilla) tai suoraan lämmityskäyttöön.

Tekniikat ja vaihtoehdot

  • Hydraulinen stimulaatio: yleisin tapa luoda halkeamaverkosto; siihen liittyy tarkka paine- ja tilavuudenohjaus sekä jatkuva seisminen valvonta.
  • Terminen tai kemiallinen stimulaatio: lämpöshokki tai kemikaalit voivat parantaa huokoisuutta ilman suuria painevaihteluita.
  • Suljetut (closed-loop) järjestelmät: suljettu putkisto kiertää lämpöä louhituista kallioalueista ilman, että nestettä pumpataan kallion läpi — pienempi riski vesistövaikutuksille ja aiheuttamilleen seismiselle toiminnalle.
  • Työaineet: perinteisen veden sijaan voidaan käyttää orgaanisia työaineita (ORC-järjestelmissä) tai höyryä riippuen lämpötilasta.

Hyödyt

  • Puhdas ja jatkuva energia: EGS voi tarjota tasaisesti tuotettua, baseload-tyyppistä sähköä ja lämpöä ilman fossiilisten polttoaineiden polttoa.
  • Laajempi käyttöalue: EGS ei rajoitu vain luonnollisesti hyviin geotermisiin kohteisiin, joten potentiaalinen maantieteellinen käyttöalue on suurempi.
  • Vähemmän maankäyttöä: verrattuna joihinkin muihin energiantuotantomuotoihin EGS-installaatioiden pinta-alatarve on usein pieni.

Haasteet ja riskit

  • Indusoitu seismisyys: kallion stimulaatio voi aiheuttaa pieniä maanjäristyksiä. Tämän vuoksi projektit vaativat seismisen valvonnan, riskinarvioinnin ja toimintamenettelyt kuten niin sanotun traffic-light-järjestelmän (injektioja rajoitustoimet magnitudirajojen perusteella).
  • Veden käyttö ja laatu: suuri vesimäärä voi olla tarpeen, ja on huolehdittava, ettei pohjavettä saastuteta. Suljetut järjestelmät ja kierrätys vähentävät vedenkulutusta.
  • Korroosio ja saostumat: kuumat vedet voivat aiheuttaa mineraalisaostumia ja korroosiota putkistoissa, mikä vaatii materiaalivalintoja ja kemiallista hallintaa.
  • Taloudelliset riskit: poraus- ja stimulaatiokustannukset ovat korkeat ja epäonnistunut hanke voi tehdä investoinnista kannattamattoman ilman huolellista suunnittelua ja riskienhallintaa.
  • Lämpökapasiteetin väheneminen: jos kiertävä neste jäähdyttää kallion liian nopeasti, tuotanto voi laskea ennenaikaisesti — reservoirin suunnittelu pyrkii optimoimaan kokonaistuoton ja eliniän.

Ympäristövaikutukset ja sääntely

EGS-projektit kuuluvat usein tiukkaan lupakäytäntöön ja vaativat ympäristövaikutusten arvioinnin, seismisen riskin hallinnan sekä jatkuvan monitoroinnin. Hyvällä suunnittelulla ja läpinäkyvällä viestinnällä paikallisyhteisöjen kanssa voidaan pienentää huolia ja riskejä.

Käytännön esimerkit ja kehitys

Parannettuja geotermisiä järjestelmiä on kehitetty ja testattu pilottiprojekteina useissa maissa. Tunnettuja tutkimus- ja kehityskohteita ovat olleet eurooppalaiset pilottit, Australiassa toteutetut kokeilut sekä projektit Yhdysvalloissa. Teknologia kehittyy: uusia porausmenetelmiä, anturitekniikoita ja suljettuja järjestelmiä tutkitaan, jotta tuotanto olisi luotettavampaa ja ympäristövaikutukset pienempiä.

Sovellukset ja tulevaisuuden näkymät

EGS voi tarjota uusiutuvaa sähköä ja lämpöä alueilla, joissa perinteinen geoterminen teknologia ei ole mahdollista. Sitä voidaan hyödyntää sekä sähköntuotantoon että teolliseen prosessilämpöön ja kaukolämpöön. Kun teknologian kustannukset alenevat ja riskienhallintakeinot paranevat, EGS:llä on potentiaalia olla merkittävä osa monen maan energia- ja ilmastostrategioita.

Yhteenvetona: Parannettu geoterminen järjestelmä (EGS) pyrkii laajentamaan geotermisen energian käyttömahdollisuuksia keinotekoisesti parantamalla kallioperän läpäisevyyttä. Se tarjoaa lupaavia etuja, mutta vaatii huolellista suunnittelua, seurantaa ja riskienhallintaa erityisesti indusoidun seismisyyden ja vedenhallinnan osalta.

Tehostettu maalämpöjärjestelmäZoom
Tehostettu maalämpöjärjestelmä

Prosessi ja kehitys

  1. Maa on kartoitettava
    • Mikä on maanalaisten kivien [lämpötila]?
    • Onko olemassa hyvä murtumaverkosto?
    • Onko siellä vettä, jota siellä luonnostaan on?
    • mitä tarvitaan toimivan EGS:n rakentamiseen
  2. Tee tarvittavat muutokset järjestelmään

Jotta kuumiin kiviin päästään ensin käsiksi, on kaivettava reikiä varovasti 1000 metriä maanpinnan alapuolelle. Kaivot eivät saa olla 40 metrin etäisyydellä toisistaan, jotta lämpö ei pääse varastoitumaan kaivojen välillä. Sen jälkeen reikiin kaadetaan vettä hallitulla, tieteellisesti määritellyllä nopeudella sekä murtumaverkoston luomiseksi että energiantuotannossa käytettäväksi. Halkeamia tai murtumia syntyy murtamalla tai halkeamien pakotetulla uudelleen avautumisella veden paineen vaikutuksesta, mikä aiheuttaa pieniä seismisiä tapahtumia, jotka harvoin tuntuvat pinnalla. Kun riittävän hyvä halkeamaverkosto on luotu, lämmitetty vesi voidaan pumpata tuotantokaivosta voimalaitokseen käytettäväksi valitussa energian talteenottoprosessissa ja kierrättää uudelleen. Sen todennäköisyyden lisäämiseksi, että vesi virtaa tuotantokaivon suuntaan, voidaan porata mikroreikärakenteita, jolloin on suurempi todennäköisyys, että murtumat yhdistyvät oikeaan suuntaan energiantuotantoa varten. Nämä reiät ovat alle 4 tuuman levyisiä, ja ne ulottuvat vettä lisäävistä ja vettä poistavista kaivoista.

  1. Voimalaitoksen käyttö ja ylläpito

Vihreä energia

Vanhan kaivon kierrätys

Maalämpöjärjestelmiä voidaan parantaa myös kierrättämällä vanhoja öljy- ja kaasukaivoja maalämpökäyttöön. Näiden kaivojen muuttaminen lämmön louhintaa varten on halvempaa kuin uusien reikien poraaminen. Nämä kaivot eivät salli veden ja lämmönlähteen välistä fyysistä kosketusta. Nämä kaivot koostuvat kahdesta sylinteristä: suuremmasta ja pienemmästä. Pienempi mahtuu isomman sisälle, ja siitä pumpataan lämmitetty vesi ulos. Vesi työnnetään sisemmän putken ja ulomman putken vuorauksen väliin. Koska suora kosketus kuumaan kallioon puuttuu ja koska hyvän eristysmateriaalin puuttuessa lämpöä häviää jonkin verran, energiantuotto ei ole yhtä suuri kuin tavallisissa maalämpöjärjestelmissä.

Kasvihuonekaasupäästöt

Jotkut sanovat, että tämä energiamuoto on yksi "vihreimmistä" vaihtoehtoisista energiamuodoista. Tutkimusten mukaan kaksi kolmesta geotermisen energian tuotantotavasta, salamahöyry ja kuivahöyry, tuottaa alle 7 prosenttia fossiilisten polttoaineiden aiheuttamista kasvihuonekaasuista. Kolmas menetelmä, jota kutsutaan suljetuksi kaksoiskiertojärjestelmäksi, päästää lähes ei lainkaan kasvihuonekaasuja). EGS:n päästöjä aiheuttaa eniten se, että porat toimivat dieselpolttoaineella. EGS:n elinkaarianalyysia koskevat tutkimukset ovat osoittaneet, että hyvä korjaus tähän olisi poran kytkeminen sähköverkkoon, mikä vähentäisi GEP-voimalaitosten jo ennestään vähäistä vaikutusta ihmisten terveyteen, ilmastonmuutokseen ja ekosysteemin laatuun. Kannattajat väittävät myös, että koska geotermiset energiajärjestelmät eivät ole riippuvaisia vaihtelevasta säästä, se on luotettavampaa energiaa, jonka energiantuotto on vakio.

Yhdysvaltain osallistuminen

Yhdysvalloissa on maailman suurin potentiaalinen geoterminen energiavaranto, mutta vain 4 prosenttia sen kokonaisenergiankäytöstä (15 miljardia kWh) on peräisin geotermisestä energiasta. Kaliforniassa on eniten maalämpöpumppuja kaikista yhdeksästä osavaltiosta, jotka käyttävät maalämpöä. Havaiji saa 20 prosenttia sähköstään geotermisistä voimaloista. Tietämys geotermisestä energiasta ei ole kovin tunnettua. Tämän vuoksi on hyvin vaikeaa saada rahaa tutkimukseen ja kehittämiseen. Kehittäjillä on myös ollut vaikeuksia saada lupia porata julkisella maalla ja saada rahoitusta sekä liittovaltion hallitukselta että ulkopuolisilta tahoilta. Senaatti on kuitenkin hyväksynyt kaksi hanketta, jotka auttavat EGS:n pääsemistä pilottivaiheesta.

Vuonna 1990 alettiin lainsäädännöllä luoda kannustimia alan kehittämiseksi. Sitä yritettiin toteuttaa vuoden 2005 energialailla ja vuoden 2007 energiariippumattomuutta ja -turvallisuutta koskevalla lailla (Energy Independence and Security Act), jossa myönnettiin verohyvityksiä ja luotiin senaatin tukemia tutkimus- ja kehitysohjelmia.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on parannettu geoterminen järjestelmä (EGS)?


V: Tehostettu geoterminen järjestelmä (EGS) on geoterminen energiajärjestelmä, joka voi tuottaa sähköenergiaa myös silloin, kun maan alla ei ole luonnollista vettä.

K: Mitä perinteiset maalämpöjärjestelmät tarvitsevat energian tuottamiseen?


V: Perinteiset geotermiset energiajärjestelmät edellyttävät kuumaa kiveä, maanalaista vettä ja kallion halkeamia yhdessä ja samalla alueella, jotta energiaa voidaan tuottaa.

K: Mitkä ovat parannettujen geotermisten järjestelmien edut?


V: Tehostetut geotermiset järjestelmät mahdollistavat geotermisen energian tuottamisen myös alueilla, joilla ei ole luonnollisia maanalaisen veden lähteitä eikä kallion halkeamia. Tämä laajentaa alueita, joilla geotermistä energiaa voidaan tuottaa.

Kysymys: Voidaanko tehostettuja geotermisiä järjestelmiä käyttää alueilla, joilla ei ole luonnollisia maanalaisia vesilähteitä?


V: Kyllä, tehostettuja maalämpöjärjestelmiä voidaan käyttää alueilla, joilla ei ole luonnollisia maanalaisia vesilähteitä.

Kysymys: Mitä ihmisten on muutettava, jotta alueita voidaan käyttää tehostettuihin maalämpöjärjestelmiin?


V: Ihmisten on ehkä muutettava alueita, joita voidaan käyttää tehostettuihin geotermisiin järjestelmiin, jotta ne sisältävät maanalaista vettä tai kallioperän rakoverkostoa tai molempia.

K: Missä tehostettuja geotermisiä järjestelmiä voidaan käyttää tavanomaisten geotermisten alueiden ulkopuolella?


V: Tehostettuja geotermisiä järjestelmiä voidaan käyttää vähemmän aktiivisilla alueilla, kuten Yhdysvaltojen länsiosissa, normaalien geotermisten alueiden, kuten aktiivisten mannerlaattojen rajojen, ulkopuolella.

K: Mitä voidaan tuottaa tehostetuilla geotermisillä järjestelmillä?


V: Tehostetuilla maalämpöjärjestelmillä voidaan tuottaa sähköenergiaa.


Etsiä
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3