Что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия — это источник возобновляемой энергии. Горячая вода извлекается из горячих глубоких земных слоев. Глубина может варьироваться от 500 метров до 4 000 метров в. Горячая вода находится глубоко под землей и поднимается по полостям в разломах наружу.

Преимущества геотермальной энергии

Преимущество этой формы возобновляемой энергии в том, что она не зависит от погодных условий, дня или ночи и времени года. Геотермальное тепло используется, в частности, в тепличном садоводстве и легкой промышленности. Температура воды из геотермальных источников на небольших глубинах до 1000 метров варьируется от 30 до 40 °C. Часто для повышения температуры с целью дальнейшего ее использования требуется тепловой насос. С глубины 2000 метров геотермальная вода имеет более высокую температуру — от 70 до 100 °C. Сверхглубокая геотермальная энергия, получается с глубины более 4 000 метров с температурой выше 130 °C.

Добыча геотермальной энергии

Для того чтобы извлечь геотермальное тепло из земли, пробуриваются слои земли с водой (водоносные горизонты), это называется открытой системой. Если вода соленая и содержит примеси, ее фильтруют, прежде чем направить в теплообменник. В закрытой системе вода из скважины и не вступает в контакт с водой, которая идет к конечному потребителю.

Фильтрация является важной частью, так как она не позволяет вывести из строя или повредить теплообменники и другое оборудование. Кроме того, охлажденная вода должна закачиваться обратно в землю и поэтому должна соответствовать характеристикам пласта.

Геотермальная установка состоит из двух скважин: добывающей, из которой откачивается горячая вода, и инжекторной, в которую закачивается охлажденная вода. Эти скважины находятся на расстоянии от 1 до 2 километров друг от друга, чтобы закачиваемая обратно в скважину охлажденная вода не попадала в добывающую скважину.

Геотермальное тепло является стабильным источником тепла, из скважины можно регулярно добывать постоянное количество горячей воды. Срок службы скважины составляет около 30 лет. После этого срока температура воды в недрах снижается и скважине потребуется несколько десятилетий для восстановления температуры.

Срок службы и мощность скважины зависят от различных факторов:

1. Глубина скважины: чем глубже скважина, тем более горячая вода находится в ней. Температура повышается примерно на 25-30°C на 1 километр глубины.
2. Толщина земляного слоя: чем толще земляной слой, тем больше воды доступно, минимальная толщина водоносного слоя составляет 20-50 метров.
3. Пористость и проницаемость пласта: от этого показателя зависит сколько воды может быть добыто и вероятность закупорки пор в пласте.

Риски при добыче геотермального тепла

Производство геотермальной энергии не лишено рисков. Но если о рисках известно заранее, можно принять соответствующие меры безопасности. Риски при добыче геотермального тепла следующие:

• Толчки: бурение в недрах может вызвать толчки и землетрясения. Если при бурении учитывать существующие естественные трещины, вероятность землетрясения можно значительно снизить. После бурения необходимо еще раз проверить, оправдано ли оно на основании давления в недрах.
• Выход газов: Всегда существует небольшая вероятность обнаружения газа под давлением во время бурения. Использование специальных клапанов в установке защищает оборудование и персонал от высокого давления и аварий. Откачиваемая вода также может содержать газ, который собирается в газоотделителе и возвращается обратно в скважину или утилизируется.
• Естественная радиация из геотермальной воды: в недрах имеются естественные низкорадиоактивные частицы. Эти частицы могут накапливаться в фильтрах и системе фильтрации. В этом случае отходы фильтров утилизируются. Частицы не должны попасть в трубы систем отопления зданий или предприятий
• Загрязняющие вещества: Стальные обсадные трубы в скважинах сконструированы таким образом, что вода не может переходить из одного слоя в другой. Если обсадная труба начнет протекать, это может привести к загрязнению грунтовых вод. Поэтому важно, чтобы конструкция была надежной и проводилось регулярное (профилактическое) техническое обслуживание.
• Оседание почвы: При производстве геотермальной энергии из земли извлекается вода, после чего она отдает своё тепло и снова закачивается обратно. Среднее давление остается практически неизменным, поэтому оседание почвы маловероятно.

Правильный выбор фильтров

Важно правильно фильтровать добываемую горячую воду, для повышения производительности. Фильтрация геотермальной воды необходима для минимизации риска остановки производства. Сбой в производстве обычно вызван мусором, который попадает в движущиеся части (в дренаж, детали насоса) или засорением трубок теплообменников.

Наиболее важными критериями выбора подходящего фильтра являются:

• Расход горячей воды, подлежащей обработке
• Температура воды
• Давление
• Размер частиц
• Общее количество взвешенных твердых частиц (и гранулометрический состав
• Физический/химический состав воды
• Свойства нагнетательной скважины (пористость, проницаемость). Для предотвращения закупорки нагнетательной скважины необходимо знать диаметр раскрытия пор (дарси).

Условия:

• Абсолютная скорость фильтрации указывает на максимальный размер частиц, которые могут пройти через фильтр.
• Номинальная скорость фильтрации указывает на процент частиц, которые, скорее всего, пройдут через фильтр.
• Номинальный коэффициент эффективности — это процент материала, задержанный фильтром.
• Бета-коэффициент — это соотношение между общим количеством входящих частиц и количеством выходящих частиц.

Загрязняющие вещества и твердые частицы, которые находятся в смеси с геотермальной жидкостью, поступают из различных источников:

• Резервуар: Частицы горных пород могут поступать вместе с потоком воды. Если водоносный горизонт представляет собой песчаник, то необходимо установить песчаный экран и фильтр.
• Скважина: Вследствие коррозии, осаждения и дегазации в скважине могут образовываться частицы пласта.
• Скважинное оборудование и установка: Во время бурения, закачивания воды в скважину и технического обслуживания могут оставаться обломки (например, износ оборудования, покрытия, остатки цемента и/или пробки моста и т.д.).

Степень загрязнения

Загрязнения можно разделить на частицы различных размеров:

• Мелкие твердые частицы: Жидкость часто подвергается гранулометрическому анализу, если оказывается, что твердые частицы меньше 12 мкм, то фильтрация не требуется.
• Крупные твердые частицы: Крупные частицы часто представляют собой небольшие куски породы и/или другие отложения, которые подаются вместе с геотермальной жидкостью.
• Мусор: Зачастую это части оборудования, которые были потеряны или оставлены в скважине во время бурения, закачивания и ремонта скважины.

Системы фильтрации для геотермальной энергии

Система фильтрации не должна быть слишком большой. Чем больше система фильтрации, тем меньше поток через фильтр, что увеличивает срок службы и эффективность фильтрации. Однако, слишком большая система фильтрации приводит к высоким инвестиционным затратам.

Если выбрана слишком грубая фильтрация, существует риск сокращения срока службы другого оборудования, например, теплообменника. Поэтому важно сделать правильный выбор фильтра. Большинство систем фильтрации в геотермальной системе состоит из двух или трех ступеней.

Предварительная фильтрация для удаления крупных частиц.

Предварительная очистка воды от крупных части проходит в гидроциклоне, автоматическом самоочищающемся фильтре или фильтровальном мешке.

Гидроциклон непрерывно отделяет тяжелые взвешенные частицы под действием центробежной силы. Очищенная вода поступает на следующий ступень фильтрации. Шлам собирается в промывочной камере, которая автоматически продувается.

Рукавный фильтр легко удаляет частицы грязи размером 20 микрон и крупнее. Относительно недорогие фильтрующие мешки легко и быстро заменяются. Рукавные фильтры используются и как вторая ступень, после гидроциклона и перед патронным фильтром, чтобы уменьшить расход относительно дорогих складчатых фильтров тонкой очистки.

Самоочищающийся фильтр имеет корзину с фильтрующей сеткой, в которой задерживается мелкая фракция примесей. Система имеет реле перепада давления, которое автоматически включает очистку. Частицы грязи удаляются автоматически без прерывания потока фильтрации.

Тонкая фильтрация

Тонкая фильтрация обычно осуществляется картриджным фильтром. В зависимости от проницаемости пласта размер отверстий картриджей может составлять 1 — 10 микрон. Вода фильтруется с помощью плиссированных фильтрующих картриджей с отверстиями номинальным диаметром 2,5 дюйма и 6 дюймов и длиной 40 или 60 дюймов.

Плиссированные фильтры — представляют собой специализированные картриджи для глубинной фильтрации, выполненные в форме гофрированного цилиндра.

Фильтры специальной конструкции для горячей воды помещаются в горизонтальные или вертикальные корпуса фильтров.

Наиболее часто применяется система фильтрации с двумя картриджами, чтобы не прерывать поток геотермальной жидкости при очистке или замене одного фильтра. Сначала по ходу воды устанавливаются фильтрующие картриджи грубой очистки, а затем вода пропускается через фильтрующие картриджи тонкой очистки и попадает во вторую емкость.

Емкости и другое оборудование обычно изготавливаются из нержавеющей стали, которая устойчива к коррозии из-за наличия кислорода в пластовой воде.

Фильтрация воды для испытания скважин

При бурении и разработке геотермальной скважины образуются сточные воды. Вода для сбрасывается во время очистки и испытаний скважины. Эта вода часто бывает соленой и содержит загрязняющие вредные вещества, поэтому ее нельзя сбрасывать на почву или водоемы. Для того чтобы соответствовать экологическим нормам, геотермальная вода должна быть сначала отфильтрована, прежде чем ее можно будет сбрасывать. Иногда воду временно хранят в хранилищах для того чтобы провести анализ и убедиться в ее безопасности для окружающей среды. Это приводит к дополнительным затратам и неопределенности. Может случиться так, что проект застопорится, потому что не удается договориться с местным природоохранным ведомством о том, можно ли сбрасывать воду или нет. Поэтому важно, чтобы были приняты решения и меры по минимизации воздействия на окружающую среду.

Заключение

Фильтрация играет важную роль во всем процессе бурения геотермальной скважины, начиная с бурения, заканчивая закачиванием и добычей скважины. Геотермальный источник может содержать множество различных типов частиц, эти частицы отличаются по размеру и составу. Важно, чтобы поток добытой геотермальной воды был отфильтрован до того, как он достигнет теплообменников, чтобы предотвратить засорение теплообменников и резервуара и загрязнение скважины для повторной закачки. Выбор фильтра сильно зависит от состава источника, особенно в случае песчаных геотермальных резервуаров с большим количеством частиц. Риски, связанные с бурением для получения геотермальной энергии, сравнимы с рисками в нефтегазовом секторе.