Геотермальные ресурсы являются одним из самых востребованных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с точки зрения выработки тепла и электроэнергии в XXI веке. Геотермальные электростанции (ГеоЭС) преобразуют подземную теплоту в электрическую энергию. Через трещины в горных породах магма поднимается ближе к поверхности, либо из-за высокой теплопроводности горные породы разогреваются выше средних значений. Если вода проникает через трещины или поры в горных породах, она может нагреть их в достаточной степени для генерации тепла или электроэнергии.
В настоящий момент разогретый геотермальный ресурс (жидкость и/или пар) добывается путём бурения скважин в земной коре. Только данный тип систем, в которых термальные водные ресурсы существуют естественным образом, называется именно геотермальными системами. В зонах, где горячие сухие скальные породы не обводнены, также можно использовать теплоту земли, закачивая воду в данные породы, а нагретую воду или пар применять для получения тепловой и электрической энергии.
УГС/EGS в настоящее время тестируются на предмет определения температуры в неглубоких скважинах, которые уже не могут быть использованы. «Усовершенствованные геотермальные системы» представляют собой привлекательную возможность для развития экологически безопасной (в том числе безуглеродной) выработки электроэнергии благодаря широкой доступности таких ресурсов. Однако выработка электрической энергии с помощью УГС всё ещё требует высоких затрат и дальнейших технологических достижений, которые позволят снизить затраты на оборудование и/или повысить скорость извлечения ресурса. Технология первой и самой глубокой УГС в Турции была разработана компанией Geo Energy Holding, которая совершенствует свою базу знаний и активизирует свои усилия по выработке электроэнергии на основе своего опыта в области применения скважинных теплообменников.
Предполагается ввести в производство энергии геотермальные скважины малой глубины (2500 м и менее), непригодные для добычи и закачки, с помощью метода EGS. Для получения тепловой и электрической энергии из этих скважин был выбран оптимальный метод среди открытых и закрытых систем с «глубинным скважинным теплообменником» (Deep Well Heat Exchanger, DWHE). В статье представлены теоретические расчёты метода DWHE и его практическое применение.
В современном мире угроза энергетического кризиса, в частности, кризиса использования ископаемого невозобновляемого топлива, является одной из важных и противоречивых проблем: чрезмерное увеличение численности населения и рост общественного благосостояния ставят под угрозу комфорт и здоровье людей в будущем. Растущая потребность в энергии заставляет людей всё больше использовать ископаемые виды топлива (уголь, нефть и газ). Но ископаемое топливо не является возобновляемым, и из-за связанного с ним загрязнения окружающей среды, а также глобального потепления, таяния льдов и разрушения естественных экосистем применение этих источников энергии становится всё более ограниченным. «Усовершенствованные геотермальные системы», также иногда называемые «инженерными геотермальными системами», имеют большой потенциал использования тепловой энергии Земли. Разработка EGS даёт возможность значительно расширить использование геотермальных ресурсов.
В настоящем исследовании для моделирования процесса выработки геотермальной теплоты с помощью несколько «доработанной» технологии EGS британской компании Geo Energy Holding была выбрана неиспользуемая геотермальная скважина, которая больше не подходит для закачки и добычи геотермальной жидкости. Для максимального использования подземной теплоты в данной технологии используется специально разработанный «глубинный скважинный теплообменник» (Down Hole Heat Exchanger, DWHE). Было оценено влияние геотермического градиента и расхода на температуру жидкости (воды) на выходе с различных глубин скважины. Трёхмерная модель скважины исследуется методом конечных элементов для анализа теплопередачи между породой и жидкостью, а также для размещения обсадных труб и бетона. Эти анализы повышают точность расчётов, точность и достоверность отбора тепла и получения электроэнергии.
2. Материалы и метод
Методы извлечения тепла из скважин по технологии УГС отличаются тем, что циркулирующая в замкнутом контуре жидкость находится в прямом контакте с горячими породами. В данном случае, в соответствии с разработанной Geo Energy Holding технологией, в скважине формируется коаксиальная система труб, заканчивающаяся скважинным теплообменником, расположенным в конце скважины на максимально возможной глубине. По центру скважины вводится теплоизолированная «внутренняя» труба, холодная закачиваемая вода циркулирует вокруг этой трубы (в пространстве между «внутренней» трубой и «внешними» обсадными трубами) и соприкасается с горными породами, при этом происходит теплопередача от горячей породы к закачиваемой воде. После того, как закачиваемая вода подогрелась, её температура достигает самого высокого уровня в глубинном скважинном теплообменнике (поглотителе тепла), где происходит максимальный нагрев, и далее вода попадает во «внутреннюю» трубу. Чтобы предотвратить нежелательный теплообмен между объёмами воды до теплообменника, «внутренняя» труба окружена теплоизоляционным материалом с очень низкой теплопроводностью. В качестве скважины-образца была исследована заброшенная геотермальная скважину глубиной 3000 м, расположенная в Турции. Характеристики скважины, расположение обсадных труб, слои грунта и бетона показаны на рис. 1.
Рис. 1. Схематичное изображение коаксиальной системы труб до глубины 3600 м
На рис. 1 схематически показано сечение скважины, а изменение температуры горных пород с глубиной от 0 до 3000 м представлено на рис. 2. Как видно из температурного профиля, он соответствует образцу кондуктивной теплопередачи для скважины. Максимальная температура на «забое» скважины (нижняя часть скважины, вскрывающая продуктивный пласт) составляет 225,°C, а градиент температуры равен 65,°C/км, что соответствует среднему значению большого температурного градиента в мире.
Рис. 2. Температурная кривая горных пород
В ходе исследования была создана 3D-модель данной системы, включающая теплоизолированную «внутреннюю» трубу, обсадную колонну, цементные слои и пласт горных пород для скважины глубиной до 3000 м. В конструкторе моделей для всех компонентов скважины используется декартова система координат. Площадь поперечного сечения каждого компонента была рассчитана в плоскости XZ в соответствии с их глубиной, затем все сечения были рассчитаны в направлении +Y в соответствии с их длиной.
Метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM) — это метод анализа, в котором реальные структуры разлагаются на конечные участки для нахождения решений для большого класса инженерных анализов. С математической точки зрения FEM — это метод аппроксимации для решения многих задач, который также называется анализом конечных элементов (Finite Element Analysis, FEA). С помощью этого метода можно рассчитывать перемещения, напряжения, деформации, температуры, заряды (нагрузка, расходы) и т. д. с учётом граничных условий для переменных поля. Это вычислительный метод для решения различных переменных поля, таких как реальные структуры, которые делятся на более мелкие части, называемые элементами, которые разделены на одно, два или три измерения.
На рис. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая рассматриваемую процедуру. При численном моделировании рассматривается сопряжённый теплообмен для моделирования выходной мощности глубоких коаксиальных скважинных теплообменников.
Рис. 3. Блок-схема для оценки выходной мощности глубинных коаксиальных забойных теплообменников, на которые влияют температурно-зависимые изменения свойств
На рис. 4 представлена топология сетки, используемая для трёхмерной усовершенствованной геотермальной системы.
Рис. 4. Представление топологии формирования сетки
В инструментах создания сетки физические параметры и метод построения сетки были выбраны с использованием вычислительной гидродинамики и многозонального метода (multisite method). Одна из проблем в задачах гидродинамики состоит в том, чтобы выбрать решение и реализовать подходящий метод построения сетки для ускорения моделирования. В этой статье мы рассмотрим, как методы создания сетки используются в CFD-моделировании, а также чего ожидать от функций создания сетки в коммерческих пакетах моделирования. Взаимодействие жидкостей и газов с твёрдыми поверхностями и поля течения вокруг и/или внутри этих твёрдых тел решаются с помощью компьютеров.
Следует отметить, что точность моделирования зависит от математической модели и используемых численных методов. В основном моделирование методом Computational Fluid Dynamics выполняется с использованием «распараллеливания» вычислительных потоков.
Хотя четырёхугольные элементы поверхности являются параметром выбора, иногда могут возникать ошибки, если включена эта опция. Сетка, состоящая из шестигранных ячеек с локальным измельчением от 0,1 мм до 1 м, создаётся с помощью модуля генерации сеток ANSYS ICEM CFD R21 и передаётся в модуль расчёта течений ANSYS Fluent. Для определения подходящей сетки проводится не зависящее от сетки исследование.
Рис. 5. Схема глубокого коаксиального скважинного теплообменника (базовая модель), показывающая передачу тепла между породой, вдоль трубы и в воде
На рис. 5 показано численное значение температуры на выходе и радиальное распределение температуры в шахте ниже внутренней трубы, полученное с использованием трёх различных сеток.
Как показано на рис. 3, в этом исследовании рассматривалась только плакированная сталь и, поскольку геометрия симметрична, анализы проводились в двух измерениях с одной стороны. Остальные геометрические параметры моделей, а также температурно-зависимые свойства воды и породы приведены в табл. 1.
2.2. Математическая модель
Поскольку коэффициент конвективной теплопередачи включает в себя все конвективные тепловые характеристики воды, он является ключевой переменной для анализа температурно-зависимых свойств воды при принудительной конвекции в теплообменнике. Теплоёмкость (мощность скважины) зависит от скорости закачки, удельной теплоёмкости воды и разницы температур между закачиваемой водой и горными породами. Теплоёмкость рассчитывается по уравнениям:
где P — тепловая мощность глубинного коаксиального забойного теплообменника, Вт; m — расход нагнетаемой воды, кг/с; c — удельная теплоёмкость воды, Дж/(кг·К); ∆T — разница температур между температурой закачиваемой воды и температурой воды, добываемой из скважины, К.
3. Результаты исследования и их обсуждение
Как показано на рис. 3, теплопередача стенки, удельная теплоёмкость и другие свойства слоя горных пород определяются в зависимости от геологической формации, а внешняя граница слоя грунта корректируется по значениям температуры без изменений. Для определения граничных условий входной и выходной областей выбираются значения скорости на входе и давления на выходе. Для объединения скорости и давления используется специальный алгоритм «неявного определения давления с разделением операторов» (Pressure-Implicit with Splitting of Operators, PISO). Эта модель рекомендуется для расчёта нестабильного течения. Схема квадратичной дискретизации применяется ко всем условиям конвекции.
Как видно на рис. 3, при бурении скважины применялась цементная оболочка разной толщины и длиной до 2000 м. Согласно полученным данным, теплопроводность используемого цемента определена как очень низкая.
Рис. 6. Изменение температуры воды, поступающей в скважину со скоростью 5 кг/с
На рис. 6 видно, что только в нескольких исследованиях с помощью вычислительной гидродинамики CFD была проведена целевая оценка геотермальной энергии. Однако CFD также следует применять для прогнозирования и изучения сверхкритических условий в очень горячих геотермальных системах. При этом температура воды, поступающей в систему, достигает значений примерно 4°C. В скважину глубиной 3000 м была спущена изолированная труба диаметром 4,5″. Как и во всех анализах, имеет место очень низкая теплопередача из-за термических свойств цемента, используемого при бурении до 2000 м. Однако на глубинах от 2000 до 3000 м теплообмен происходит за счёт прямого контакта воды с горной породой. В этом случае температура воды на выходе колеблется в пределах 150–18°C.
Рис. 7. Изменение давления воды, поступающей в скважину со скоростью 5 кг/с
На рис. 7 представлено изменение давления по глубине скважины. Высокое давление необходимо для предотвращения перехода жидкости в паровую фазу. При этом поддерживается не только мощность насоса, но и разные процессы на устье скважины.
Рис. 8. Изменение температуры породы в скважине
Как видно из рис. 8 и 9, анализ Computational Fluid Dynamics был выполнен на симметричном радиусе скважины, а температуры в скважине на 700, 1400, 2100, 2500 и 2800 м были измерены в разных областях. При этом в скважине на глубинах 700, 1400 и 2000 м термическое сопротивление проявляется за счёт обсадных колонн и цементных слоёв. Коэффициент теплопередачи пород поддерживался постоянным на всём протяжении скважины Kскал = 2 Вт/(м·К).
Рис. 9. Температурные контуры горных пород на глубине 3000 м
Как видно по температурному профилю, температура в скважине растёт с глубиной. В результате этого повышения через 12, 24 и 36 ч значение температуры в радиусе скважины составило 16°C на глубине 2800 м.
В данном исследовании была построена трёхмерная геометрическая 3D-модель бездействующей скважины и проведено компьютерное гидродинамическое моделирование (CFD), а затем к модели было применено основное уравнение теплопередачи. Для поглощения подземного тепла разработан специальный «глубинный скважинный теплообменник» (DWHE). Результаты моделирования были признаны применимыми и для производства электроэнергии, что является частью наших будущих исследований в области геотермальной энергетики. Анализы проводились за 12, 24 и 36 ч с использованием геометрии реальной скважины, а в качестве входных данных UDF-моделирования были введены свойства слоёв грунта и температурные градиенты.
Настоящее исследование показало, что на производительность усовершенствованных геотермальных систем значительно влияет оптимизированная конструкция и параметры процесса при различных скоростях потока. Хотя во многих исследованиях оценивались проектные параметры, в большинстве случаев не учитывались материалы, используемые при бурении промышленных скважин для изготовления обсадных труб, цемента, а также коэффициент теплопередачи пласта и т. д. Введение этих параметров оказалось очень эффективным, поэтому оно может быть рекомендовано для использования в будущих исследованиях.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 марта 2019 года; проверки требуют 49 правок.
Энергетика Германии — Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) Германии является крупнейшим в Европейском союзе.
Таблица 1. Отдельные статьи ТЭБ EU-28 и Германии за 2019 г., тыс. тонн нефтяного эквивалента
Энергоносители
Производство первичной энергии
Доля Германии
Экспорт
Доля Германии
Импорт
Доля Германии
Сырая нефть и нефтепродукты (без биотоплива)
76431
3213
4%
395189
21792
6%
943653
130180
14%
Сланец и битуминозный песок
2999
—
—
—
—
—
—
—
—
Торф и продукты из торфа
1572
—
—
7
—
—
67
—
—
Возобновляемые и биотопливо
242508
45839
19%
14615
2719
19%
23964
2344
10%
Твердое органическое топливо
103509
28420
27%
13067
1501
11%
91768
28178
31%
Окончание таблицы 1. Отдельные статьи ТЭБ EU-28 и Германии за 2019 г., тыс. тонн нефтяного эквивалента
Энергоносители
Общая поставка
Доля Германии
Преобразование (вход) энергетическое использование
Доля Германии
Конечное энергетическое потребление
Доля Германии
Сырая нефть и нефтепродукты (без биотоплива)
519754
100239
19%
774024
125920
16%
393173
72069
18%
Сланец и битуминозный песок
2955
—
—
2850
—
—
24
—
—
Торф и продукты из торфа
2304
—
—
1818
—
—
435
—
—
Возобновляемые и биотопливо
251642
45465
18%
160557
31209
19%
107977
16618
15%
Твердое органическое топливо
176924
53775
30%
182408
58972
32%
21257
3422
16%
Таблица 2. Основные тенденции в отдельных статьях ТЭБ Германии в 2019 г. в сравнении с 1991 г
Статьи ТЭБ, годы/Энергоносители
Природный газ
Невозобновляемые отходы
Ядерное тепло
Сырая нефть и нефтепродукты (без биотоплива)
Возобновляемые и биотопливо
Твердое органическое топливо
Всего
Уменьшение (-), увеличение (+)
-9159
3216
-18671
-1350
40770
-77665
-62924
Преобразование энергоносителей на электростанциях и отопительных установках
Уменьшение (-), увеличение (+)
7761
1938
-18671
-2872
26060
-41255
-26364
При этом следует указать на ощутимый рост цен на электроэнергию в связи с увеличением доли ВИЭ.
Принципиальные и глубокие изменения происходят и в структуре преобразования и конечного потребления энергоносителей.
Важной особенностью функционирования и прогноза энергетики страны являются ужесточающиеся требования к охране окружающей среды.
Планируется отказаться от неэкологичного угля к 2030 году. При этом, намечено создать энергетический резерв из 50 новых газовых электростанций (с намерением перевести их, впоследствии, на «зеленый» водород) в качестве подстраховки.
Ключевыми энергетическими организациями Германии являются:
Электроэнергетический комплекс является важнейшей составляющей социально-экономического хозяйства Германии. Характеристики его секторов представлены в соответствующих подразделах.
Динамика в целом и структура основных показателей по типам характеризуются нижеследующими диаграммами:
Международная энергетическая статистика (UNSD) и европейская энергетическая статистика (Eurostat) классифицируют генерирующие установки по типам (видам энергоносителей) и классам:
Таблица 3. Установленная мощность генерирующих источников по типам и классам, 1990-2019 гг. (на конец года), МВт
ТЭС, сжигающих органическое топливо
68441
83361
80794
76380
85823
89421
89649
91368
97203
96967
95716
95134
103030
101389
ГЭС, включая ГАЭС
8182
8876
9485
10858
11218
11436
11257
11239
11234
11255
11207
11120
10684
10733
Примечание: MAP (Main activity producers) — электростанции, чьей основной деятельностью является производство электроэнергии; AP (Autoproducers) — генерирующие установки, производство электроэнергии на которых не является основным видом их деятельности.
Сокращения: ТЭС — тепловые электростанции; АЭС — атомные электростанции; ГЭС — гидроэлектростанции; ГАЭС — гидроаккумулирующие электростанции; ВЭС — ветряные электростанции; СЭС — солнечные электростанции; ГеоТЭС — геотермальные электростанции; приливные электростанции здесь и далее (для краткости) — электростанции, использующие энергию приливов, отливов, волн и океанских течений
Таблица 4. Производство электроэнергии-брутто по типам и классам генерирующих источников Германии, 1990-2019 гг., млн. кВт·ч
ТЭС, сжигающих органическое топливо
377684
356224
371563
401671
412825
410064
421100
427037
408559
410318
419596
404286
385552
334353
ГЭС, включая ГАЭС
19791
26250
25962
26417
27353
23512
27850
28782
25444
24898
26134
26155
23863
25671
Энергоэкономическая эффективность функционирования электроэнергетики страны иллюстрируется следующими диаграммами:
Принципиальной особенностью эксплуатации ядерных реакторов в Германии является их высокая эффективность, характеризуемая динамикой коэффициента использования установленной мощности (КИУМ)
КИУМ-брутто АЭС Германии,1990-2019 гг., проценты (к календарному числу часов)
Динамика установленной мощности-брутто ТЭС Германии,1990-2019 гг., МВт
В соответствии с данными Bundesnetzagentur (на 1 апреля 2020 г.) в число крупнейших электрических станций входят
Таблица 5. Крупнейшие (1000 МВт и выше) электростанции Германии
Наименование электростанции/Энергоносители
Установленная мощность-нетто, МВт
Установленная мощность-нетто, итого
Бурый уголь
Природный газ
Ядерное топливо
Невозобновляемые энергоносители
ГАЭС
Каменный уголь
Gemeinschaftskernkraftwerk Neckarwestheim II
—
—
1310
—
—
—
1310
Таблица 8. Расходные статьи баланса электрической энергии Германии, 1990-2019 гг., млн кВт∙ч
Чёрная металлургия и сталелитейная промышленность
27365
22995
23654
27654
27093
28220
26873
26144
26321
26063
27062
26695
26341
24372
Химическая и нефтехимическая промышленность
62496
52326
48336
52857
52337
52522
52151
51729
53487
53465
53577
54219
53566
52708
Пищевая и табачная промышленность
12053
13630
14699
16906
17525
17770
17981
17821
18074
18194
18522
18639
18962
18677
Горная промышленность и разработка карьеров
6453
2873
2056
1902
2158
1920
1800
1747
1768
1740
1783
1768
1774
1789
Производство нерудных материалов
11592
14866
14826
12459
12234
12918
12275
12230
12120
12296
12318
12751
12701
12492
Целлюлозно-бумажная промышленность и полиграфия
16948
19777
21768
26850
24297
23868
23730
22339
21933
21323
21419
21406
20856
19788
Текстильная и кожевенная промышленность
7105
4584
4297
3359
2482
2521
2382
2243
2193
2259
2191
2178
2132
1946
Производство транспортного оборудования
13692
16633
18989
19676
17838
18179
17940
18320
18536
18515
18020
17781
17747
16978
Пиломатериалы и деревообрабатывающая промышленность
3455
3171
4005
4413
4510
4552
4332
4317
4278
4492
4637
4817
4668
4565
Прочие отрасли промышленности
22271
28666
29411
22295
17501
17719
17578
17313
17342
17241
17624
17653
17515
16936
Коммерческий сектор и предприятия общего пользования
87878
103118
125453
137410
143862
136306
139210
142062
131515
140736
141585
141479
136819
132562
Сельское, лесное хозяйство и рыболовство
—
—
—
—
5876
5630
5697
4473
6257
5539
5457
5090
5023
5360
Выработка электроэнергии в ФРГ в 2021 году по источникам энергии
Возобновляемые источники энергии (40 %) Бурый уголь (19 %) Атомная энергетика (12 %) Каменный уголь (9 %) Иные энергоносители (5 %)
В целом отмечается увеличение потребления полезной электроэнергии, наряду со значительным снижением её потребления в энергетическом секторе, незначительным приростом потребления в целом по промышленности и изменениями в структуре потребления отраслями промышленности, в том числе увеличения потребления полезной электроэнергии машиностроением. Обращает на себя внимание уменьшение потребления электроэнергии бытовыми потребителями.
Динамика средних цен на электроэнергию для промышленности Германии (по данным BEIS), 1980-2019 гг., GBP/100 за кВт∙ч
Динамика средних цен на электроэнергию для бытовых потребителей Германии (по данным BEIS), 1980-2019 гг., GBP/100 за кВт∙ч
