По сообщениям таких организаций, как Международное энергетическое агентство, чистая, возобновляемая геотермальная энергия может стать важным фактором в энергетическом переходе. Clean Air Task Force и другие организации отмечают, что потенциал геотермальной энергии может возрасти на порядок, если удастся освоить сверхгорячие породы с температурой более 375 градусов Цельсия (около 700 градусов по Фаренгейту).
Современные геотермальные станции работают при значительно более низких температурах, в основном от 100 до 250 градусов Цельсия, и о проектировании станций для более высоких температур известно относительно мало.
Дэниел У. Дихтер из Quaise Energy делится своими выводами по этому вопросу в двух статьях. Одна из них была опубликована онлайн Geothermal Rising (работа была представлена на конференции Geothermal Rising 2024 года), а другая была представлена на 50-м Стэнфордском геотермальном семинаре и также доступна онлайн.
Дихтер, старший инженер-механик в Quaise, сообщает, что у специалистов есть хорошее понимание того, как проектировать геотермальные электростанции в обычном температурном диапазоне, но мало опыта работы с геотермальными источниками тепла с температурой выше этого. В этих статьях применяются принципы проектирования традиционных геотермальных установок к более высокому температурному диапазону, начиная с 300 градусов Цельсия.
Дихтер надеется, что эта работа поможет составить дорожную карту для будущего, связанного с использованием сверхгорячих пород.
В геотермальных установках вода, нагретая горячей породой, передает это тепло на поверхность, где полученная энергия преобразуется в электричество. Дихтер пришел к выводу, что для систем, работающих со сверхгорячими породами, может быть необязательно поддерживать температуру воды выше 375 градусов Цельсия на всем пути к поверхности.
Он также обнаружил, что станции, работающие с геотермальными жидкостями при температуре выше 300 градусов Цельсия на поверхности, могут использовать обычные турбины для преобразования пара в электричество. Большинство геотермальных станций, работающих сегодня при более низких, традиционных геотермальных температурах, должны использовать более дорогую и менее доступную турбинную систему.
Вода, закачиваемая в породу при температуре выше 375 градусов Цельсия, становится сверхкритической, парообразной фазой, с которой большинство людей не знакомы. Сверхкритическая вода, в свою очередь, может переносить в 5-10 раз больше энергии, чем горячая вода при обычных геотермальных температурах, что делает ее мощным источником энергии, если ее можно будет закачивать на поверхность в турбины, преобразующие ее в электричество.
Сегодня доступ к породам с такими температурами возможен лишь в нескольких местах по всему миру, например, в Исландии, где они расположены относительно близко к поверхности.
Однако основная масса сверхгорячей геотермальной энергии находится на глубине от 3 до 20 километров. Буры, используемые в нефтегазовой промышленности, не выдерживают высоких температур и давлений, которые встречаются на такой глубине. В результате бурение становится экспоненциально дороже. Quaise намерена решить эту проблему с помощью совершенно нового способа бурения, использующего миллиметровую волновую энергию (родственную микроволновой энергии, которую мы используем для приготовления пищи), которая может буквально плавить и испарять породу.
Дихтер обнаружил, что если удастся получить доступ к сверхгорячим породам на глубине нескольких километров, то необязательно поддерживать температуру воды в сверхкритическом состоянии (выше 375 градусов Цельсия) на всем пути к поверхности. Другими словами, сверхкритичность не нужна для максимальной производительности на поверхности. И это может сделать сверхгорячие системы более экономичными.
Оказывается, что поддержание высокой температуры воды на всем пути к поверхности дает убывающую отдачу. Это связано с физикой ее транспортировки на большие расстояния по тонким трубам, используемым в геотермальной энергетике, диаметр которых составляет чуть более 20 сантиметров.
Дихтер обнаружил, что вода с температурой на поверхности всего 350 градусов Цельсия все еще может обеспечивать выходную мощность «на порядок выше, чем у обычных геотермальных систем».
Однако он подчеркнул, что сверхкритические условия в резервуаре (сверхгорячей породе глубоко внизу) все еще могут потребоваться, чтобы добиться субкритической добычи из-за потерь между поверхностью и резервуаром.
Еще один вывод Дихтера касается турбинной системы, используемой для преобразования сверхгорячей воды в энергию. Многие геотермальные станции, работающие сегодня, используют бинарный цикл с двумя рабочими жидкостями. Это связано с тем, что тепло не может быть эффективно преобразовано в электричество только с использованием воды при более низких температурах, а геотермальная вода, закачиваемая на поверхность, содержит примеси, которые могут повредить наземное оборудование, связанное с выработкой электроэнергии.
Решение состоит в том, чтобы передать тепло от геотермальной воды второй жидкости, протекающей в отдельных, но смежных трубах. Углеводороды, такие как изобутан, являются предпочтительной вторичной жидкостью в большинстве бинарных циклов, но Дихтер обнаружил, что их можно заменить водой. Он установил, что при более высоких температурах вода работает лучше, чем большинство углеводородов, в качестве вторичной жидкости.
