Geotermalna energija je posljednjih godina predmet obnovljenog interesa
Sve više zemalja diljem svijeta slaže se da je duboka geotermalna energija bitna alternativa za proizvodnju topline i električne energije na niskougljični način. Koje su njegove prednosti? Kako radi? Koji su geološki konteksti najprikladniji? Koje su inovacije koje najviše obećavaju? Uzimamo inventuru.
Bušenje do dubine od nekoliko stotina metara, ili čak nekoliko tisuća, za izvlačenje vrućih tekućina koje mogu napajati turbine u elektranama ili opskrbljivati mreže daljinskog grijanja. To je jednostavan princip koji stoji iza duboke geotermalne energije.
Potaknuta naftnom krizom 1971., a zatim stavljena na čekanje u korist profitabilnijih energija od 1990-ih nadalje, geotermalna energija je posljednjih godina predmet obnovljenog interesa. Mora se reći da duboka geotermalna energija kombinira niz prednosti.
Sve poželjniji izvor energije
Prije svega, to je obnovljivi, lokalni, niskougljični izvor energije koji bi mogao doprinijeti energetskoj neovisnosti nacija, istovremeno pomažući prijelazu na čišće energije. Tehnološki napredak u području duboke geotermalne energije sugerira da će uskoro biti moguće pristupiti podzemnim rezervoarima topline koje je prije bilo teško iskoristiti, a time i potaknuti njezinu primjenu (pročitajte više u nastavku).
Drugo, za razliku od drugih obnovljivih izvora energije (fotonaponski sustavi i energija vjetra), njegova proizvodnja ne ovisi o dobu dana ili vremenskim uvjetima; Dostupan je 24 sata dnevno. Konačno, geotermalna energija zahtijeva vrlo malo zemlje. Po proizvedenom gigavatu, geotermalne elektrane zauzimaju 8 puta manje prostora od elektrana na ugljen ili solarnih farmi i 3 puta manje od vjetroelektrana, što ih čini lakšim za integraciju u postojeću infrastrukturu.
Europski parlament je 18. siječnja 2024. pozvao na golema ulaganja u geotermalnu energiju kako bi se ubrzalo njezino uvođenje; tema je bila na vrhu dnevnog reda sastanka ministara energetike u Budimpešti 17. srpnja. U Sjedinjenim Američkim Državama američki Odbor za prirodne resurse odobrio je dvostranački prijedlog zakona za potporu razvoju geotermalnog sektora, a sredinom veljače Ministarstvo energetike najavilo je ulaganje od 60 milijuna dolara za potporu poboljšanim geotermalnim sustavima.
Odakle dolazi Zemljina toplina koja se koristi u geotermalnoj energiji?
U osnovi radioaktivni elementi prisutni u stijenama koje čine zemljinu koru i plašt: uran, torij, kalij… Što dublje idete pod zemlju, to je viša temperatura. To je poznato kao geotermalni gradijent. Na globalnoj razini, ovaj gradijent u prosjeku iznosi 3°C svakih 100 metara. U vulkanskim zonama, gdje se magma diže, ovaj gradijent može doseći 100°C svakih 100 metara.
Koja su područja najprikladnija za duboku geotermalnu energiju?
Tradicionalno, duboka geotermalna energija koristi toplu vodu – u tekućem ili plinovitom obliku – prirodno prisutnu na dubini u takozvanim vodonosnicima. Ova vrsta resursa tople vode može se naći u mnogim različitim geološkim kontekstima.
Prvo, u sedimentnim bazenima koji se nalaze na udaljenosti od granica tektonskih ploča. Oni su poznati kao “intrakratonični” bazeni. To je slučaj, na primjer, Pariškog bazena, koji se danas može pohvaliti najvećom koncentracijom geotermalnih elektrana na svijetu. Većina ovih pumpnih tekućina iz vodonosnika Dogger, koji se nalazi na dubinama između 1.500 i 2.000 metara.
Rezervoari tople vode nalaze se i u područjima poznatim kao ” bazeni za urušavanje “. To su područja duž kojih se tektonske ploče razdvajaju. U ovoj vrsti zone, često popraćene vulkanizmom kada je aktivna, Zemljina kora je prorijeđena, a vrući plašt je na manjoj dubini od prosjeka; Geotermalni gradijent je stoga veći od prosjeka. Tekućine se nalaze u takozvanim “vrućim i vlažnim” stijenama, poput slomljenih granita. U Keniji i Etiopiji, na primjer, izgrađeno je nekoliko geotermalnih elektrana duž jugoistočnoafričkog rascjepa. U Francuskoj je bazen Rajne, u kojem se nalazi poznata geotermalna elektrana Soulz-sous-Forêts, drevni rascjep; geotermalni gradijent ovdje ostaje tri puta veći od prosjeka (8 do 10°C svakih 100 metara).
Konačno, geotermalni potencijal može se naći u vulkanskim područjima. Ova su područja posebno zanimljiva zbog visokog toplinskog gradijenta. To omogućuje pristup vodi vrlo visoke temperature na relativno malim dubinama. U Bouillanteu, Guadeloupe, geotermalna elektrana koristi tekućinu na 250-260°C koja se crpi iz rezervoara na dubini između 500 i 1,000 metara. Island, vulkanski otok koji se proteže između dvije divergentne tektonske ploče, proizvodi više od 90% svoje topline i 30% svoje električne energije iz duboke geotermalne energije, a može se pohvaliti s nekoliko najvećih svjetskih geotermalnih elektrana (Hellisheiði, Nesjavellir, Reykjanes…).
Ove tri vrste geološkog konteksta danas su najčešće ciljane, ali postoje i druge.
Visoka ili niska energija?
Za proizvodnju električne energije govorimo o:
- srednje energetske duboke geotermalne energijekada se tekućina crpi iz dubokih vodonosnika (800 do 4000 metara) na temperaturi od 90 do 150°C. Uglavnom se koristi za projekte koji se nalaze u sedimentnim bazenima;
- visokoenergetska geotermalna energija, kada korištene tekućine dosegnu temperature veće od 150 °C. Uglavnom se odnose na rovove za urušavanje i vulkanska područja.
Za proizvodnju topline govorimo o niskoenergetskoj geotermalnoj energiji. Koristi tekućine na temperaturama između 30 i 90 °C. Nalaze se uglavnom na dubinama od 500 do 2.500 metara u rasprostranjenim sedimentnim formacijama.
Kako funkcionira geotermalni sustav?
Duboka geotermalna energija temelji se na iskorištavanju tople vode sadržane u “vodonosniku” koji se nalazi na dubini od nekoliko stotina do tisuća metara. Vodonosnik je prirodno porozna ili pukotina rezervoarske stijene koja je dovoljno propusna za slobodnu cirkulaciju vode. Ta se voda, u tekućem ili parnom obliku, izvlači kroz jednu ili više “proizvodnih” bušotina, a zatim se prenosi u turbine elektrane ili u izmjenjivač spojen na mrežu daljinskog grijanja.
Nakon što joj se oduzmu kalorije, voda se može ispustiti u more, u bazene koji postaju jezera ili u zrak u slučaju pare. Međutim, kako bi se izbjegao bilo kakav utjecaj na okoliš i zajamčila održivost resursa, ohlađena voda sve se više ponovno ubrizgava u podzemlje putem “bunara za ponovno ubrizgavanje”.
Inovacije koje bi mogle ubrzati primjenu duboke geotermalne energije
U teoriji, geotermalnoj energiji se može pristupiti s bilo kojeg mjesta. U stvarnosti, međutim, to zahtijeva bušenje do velikih dubina, što povećava troškove i predstavlja niz tehničkih problema. To je jedan od razloga zašto je geotermalna energija do danas ostala “nišni” izvor energije. Danas čini samo 0,5% ukupnog instaliranog kapaciteta obnovljive energije. No, brojne inovacije sugeriraju da će uskoro biti moguće iskoristiti podzemnu toplinu u mnogo većim razmjerima. Evo samo nekoliko njih.
Poboljšani geotermalni sustavi (EGS)
Načelo: Geotermalna energija zahtijeva tri bitna elementa: toplinu, tekućinu i propusnu stijenu (u kojoj tekućina može slobodno cirkulirati). U mnogim područjima stijena je dovoljno vruća, ali nedovoljno propusna i/ili previše siromašna tekućinom. U stimuliranom geotermalnom sustavu, kontrolirano ubrizgavanje tekućine pod zemljom otvorit će prirodne pukotine ili stvoriti nove. Cilj je poboljšati propusnost stijene, a time i zagrijavanje veće količine tekućine. Bušenje proizvodne bušotine zatim oporavlja vruću tekućinu za proizvodnju električne energije i/ili topline.
Zašto: EGS, kojije testiran nekoliko godina u elektrani Soultz-sous-Forêts, omogućuje pristup rezervoarima topline koji bi inače ostali neiskorišteni.
Projekt u tijeku: Soultz-sous-Forêts jedna je od pionirskih elektrana koje trenutno koriste EGS za proizvodnju električne energije. Eksperimentalna stanica Utah FORGE u SAD-u radi na unapređenju ove tehnologije i smanjenju rizika (uglavnom seizmičkih uređaja) povezanih sa stvaranjem takvih rezervoara. Ali mnogi drugi projekti diljem svijeta istražuju ovaj pristup.
Korištenje geotermalnog litija za smanjenje troškova elektrana?
Neke od geotermalnih voda koje cirkuliraju duboko u granitima i pješčenjacima sadrže značajne količine litija. Očekuje se da će se potražnja za ovim mineralom, neophodnim za proizvodnju baterija za električna vozila, utrostručiti u Francuskoj od sada do 2030. godine. Njegova upotreba u kogeneraciji s geotermalnom energijom stoga bi mogla pomoći u poboljšanju profitabilnosti geotermalnih elektrana. ES-Geothermie u partnerstvu s ERAMET-om prvi je izvukao geotermalni litij u Francuskoj, u elektrani Soultz sous Forets. Ako bi se ovaj proces proširio na desetak geotermalnih elektrana, mogao bi zadovoljiti trenutnu francusku potražnju za litijem.
Super Hot” i superkritični geotermalni sustavi
Princip: To uključuje uvlačenje tekućina na temperaturama iznad 400°C, odnosno toplijih tekućina. od konvencionalnih geotermalnih instalacija (za usporedbu, vulkanski konteksti sadrže tekućine na “samo” 200 do 300 °C). Na ovoj temperaturnoj razini i pod dovoljnim tlakom voda postaje “superkritična” tekućina, odnosno gotovo jednako gusta kao tekućina, ali koja se ponaša poput plina, što omogućuje učinkovitiji transport geotermalne energije.
Prednosti: Jedna bušotina koja koristi superkritične tekućine mogla bi proizvesti 10 puta više energije od konvencionalne bušotine. Osim toga, stijene na 400°C imaju mehanička svojstva koja su dosljedna i predvidljiva: bez obzira gdje se u svijetu nalazite, ako je temperatura stijene “super vruća”, ponašat će se na isti način; Ova značajka trebala bi omogućiti dizajniranje uobičajenih alata i znatno povećati predvidljivost bušenja.
Izazovi: Oni se uglavnom odnose na troškove bušenja (što je bušotina dublja, to je skuplja), tehnike stimulacije (složenije na takvim dubinama) i sastav slane vode iz ove vrste bušotine (vrlo korozivna za cijevi).
Aktualni projekti: Na ovoj interaktivnoj karti koju je izradila Radna skupina za čisti zrak moguće je locirati različite projekte koji su trenutno u tijeku u području super vrućih stijena. Na Islandu je 2009. godine tvrtka za bušenje koja je tražila nova geotermalna nalazišta oko vulkana Krafla slučajno naišla na magmu. Ovo otkriće (prvo) dovelo je do postavljanja projekta Krafla Magma Testbed, čiji je jedan od ciljeva eksperimentiranje s iskorištavanjem ove topline za geotermalne projekte. Početak bušenja planiran je za 2025. godinu.
Zatvorene petlje (Eavor Loop)
Načelo: To je sustav za cirkulaciju tekućine za prijenos topline (čija fizička svojstva omogućuju učinkovit prijenos topline) unutar mreže zatvorene petlje vodoravnih cijevi smještenih pod zemljom, na dubini od 3 ili 4 km. Prijenos topline stoga nije konvekcijom, kao što je to obično slučaj, već provođenjem između stijene i tekućine. Vruća tekućina se zatim pretvara u električnu energiju ili prenosi u mrežu daljinskog grijanja.
Prednosti: Ovaj sustav ne zahtijeva prirodni rezervoar tople vode, te se stoga može koristiti na većem broju lokacija, posebno u geološkim formacijama s niskom propusnošću. Budući da je sustav samoodrživ (hladna voda je gušća od vruće vode, gura toplu vodu prema površini), nema potrebe za pumpanjem tekućine, što poboljšava energetsku učinkovitost. Posljednje, ali ne i najmanje važno, sustavom se može upravljati, što omogućuje prilagodbu proizvodnje energije prema potražnji.
Trenutni projekti: Eavor Loop trenutno radi na dva projekta, jednom u Geretsriedu, Bavarska (Njemačka) i jednom u Alberti, Kanada. Saznajte više o Eavor Loopu u ovom članku u časopisu Recharge.
Divovske podzemne baterije
Princip : temelji se na korištenju “fleksibilnog” geotermalnog postrojenja. To uključuje gašenje proizvodne bušotine elektrane na nekoliko sati ili dana kako bi se stvorila akumulacija tekućine pod tlakom u stijeni. Rasjede u rezervoaru će se širiti i mijenjati oblik pod utjecajem pritiska vode, poput balona. Kada se ventil ponovno otvori, pukotine se vraćaju u svoj izvorni oblik, stvarajući povećanje protoka vode, a time i proizvodnje električne energije.
Prednosti: Proizvodnjom električne energije na zahtjev, ove bi baterije mogle pružiti rješenje za isprekidanu prirodu obnovljivih izvora energije (sunca i vjetra). Bili bi stavljeni u stanje pripravnosti tijekom razdoblja obilne proizvodnje, a aktivirali bi se kada postoji nestašica.
Trenutni projekti: Fervo testira koncept podzemne baterije u pustinjskoj regiji Nevade, SAD. Saznajte više u ovom članku MIT Technology Review.
Ostale inovacije
Trenutačno se radi na uklanjanju prepreka koje stoje na putu šire uporabe geotermalne energije, posebno na poboljšanju performansi i sigurnosti te smanjenju troškova: ponovna uporaba naftnih platformi (kopnenih i morskih) kao geotermalnih jedinica, razvoj učinkovitijih tehnika bušenja s pomoću mikrovalova (npr. Quaise), tehnike za borbu protiv onečišćenja cijevi u bušotinama (npr. tehnologija Bluesparks), itd.
Inovacije na koje treba paziti!
