Geotermalna revolucija

Izvor: research eu

Čista, obnovljiva, konstantna i dostupna širom sveta, geotermalna energija je već u upotrebi u velikom broju toplotnih i električnih centrala. Istraživači trenutno razvijaju nove tehnologije koje će omogućiti upotrebu geotermalne energije na širem geografskom području. Zajedno, obićićemo pilot centralu Soultz-sous-Forets u Alsace-reu (FR).

Na prvi pogled selo Soultz-sous-Forets nije ništa posebno. Smešteno duž Nemačko-Francuske granice, izgleda poput bilo kog drugog malog sela u Alsace-reu. Obojeno ruralnim mirom jedva uznemirenim obimom obruča susednog brda. U poslednje dve dekade, ambiciozni istraživački projekat rastao je na brdu. Cilj projekta? Da se uspostavi prva svetska geotermalna centrala, ili napredni geotermalni sistem (Enhanced Geotermal System, EGS). Osnova ovog revolucionog koncepta - osmišljenog u SAD tokom sedamdesetih - ekstrakcija je toplote zemlje na mestima na kojima nije bila iskorištavana u prošlosti.

Teško je zamislivo da Soultz projekat vode samo 15 stalnih angažovanih, i oni koji to nadgledaju, profesionalci raznih profila koji dolaze i odlaze: inžinjeri, geolozi, geofizičari, seizmolozi, operatori rovokopača, operatori kranova, elekto-inžinjeri i mnogi drugi. Aktivnosti ove matice, porasle su još više januara 2008. godine kada je otpočeo deo poslova na nadzemnim instalacijama neophodnim za pretvaranje toplote zemlje u električnu energiju. Sad je kraj maja 2008. godine. Projekat slavi kulminaciju dvadesetogodišnjeg frenetičnog istraživanja. Na kraju, ova pionirska geotermalna centrala - izgrađena i podržana od javno/privatnog evropskog partnerskog projekta - počela je da proizvodi električnu energiju. Ovo je stvarno prva svetska proizvodnje takve vrste.

Korist od malo znanog okruženja

Geotermalni koncept - da se iskoristi podzemna toplota nastala prevashodno od raspada radioaktivnih elemenata stena zemljine kore - nije ništa novo. Razvoj je otpočeo sa naftom krizom sedamedesetih prošlog veka. Iako velik broj geotermalnih postrojenja za dobijanje energije širom sveta već proizvodi električnu struju ili obskbljuje daljinske toplotne sisteme, Soultz sadrži fundamentalnu razliku koje ga razlikuje od drugih - podzemnu vodu. Postojeća tehnologija ograničena je na ispumpavanje konačne količine tople vode (obogaćene i drugim sadržajima) i njene direktne upotrebe za zagrevanje toplotnih sistema ili pokretanje turbina za proizvodnju električne energije. Orginalnost Soultz koncepta je činjenica da on ne zahteva lokalne hidrogeološke resurse. Ovde se površinska voda upumpava u dovoljno duboke prirodne kristalne stene koje omogućuju upotrebljivu, merljivu, količinu korisne toplote. U slučaju Rhine Graben - geološkog područja u kojem je pilot projekat Soultz uspostavljen - stene koje istraživači ispitivaju dvadeset godina su granitne.

Albert Genter iz Francuskog geološkog istraživačkog centra (Bureau de Recherches Geologiques et Minieres, BRGM) je strukturarni geolog. Iako je on projekt kordinator projekta Soultz od septembra 2007. godine, njegovo poznavanje ovog mesta datira od davno, njegova doktorska teza odnosila se na Soultz granit. „Terenski rad otpočeo je 1987. godine, kada je iskopan bunar GPK1 koji je omogućio uzimanje prvih uzoraka i determinaciju karakteristika strukture stene upotrebom različitih foto-akustičnih tehnika", objašnjava on pokazajući na stari otvor koji se nalazi ispred kancelarija organizacije koja vodi projekat, European Economic Interest Grouping (EEIG) Exploatation Miniere de la Chaleur (Heat Mining).

„To nam je pružilo jasniju sliku o sadržaju zemlje ispod površine. Podaci sakupljeni tokom programa eksploatacije nafte jedva da su davali neke informacije o kristalnim stenama koja su se nalazale ispod sedimentacionog sloja - zbog toga što nisu bile pogodne za eksploataciju nafte nisu bile važne ni geolozima. Ali, sakupljeni podaci govorili su o nalazištu atipičnog gradijenta, gde temperatura raste sa dubinom stepenom većim od ma kog drugog područja.

„Američki istraživači koji su originalno osmislili EGS koncept proglasili su ovo nalazište Hot Dry Rock Geothermy. Međutim, Soultz eksperimenti pokazali su upravo da ovo nalazište granita uopšte nije suvo. Pronašli smo da ono sadrži prirodnu vodu, samo u malim količinama, ali dovoljno velikim da bi bila korištena u geotermalnoj elektrani. Tako da se ovaj deo u kom se nalazila voda upotrebio kao rezervoar iz kojeg je korištena voda ponovo ubrizgavana u sistem naprslina".

Da li je činjenica što se centrala nalazi na takvim delovim sa vodom učinila projekat manje originalnim? „Ne, ni najmanje", uveravao nas je Genter. „Mi smo jednostavno oportunisti. Iako je voda ispumpavana na mestu, ona je ponovo ubrizgavana u sistem naprslina koji praktično nije ni sadržao vodu na početku".

Otvaranje stene

Eksploatorno istraživanje otkrilo je postojanje sistema naprslina dovoljno razvijenog da posluži kao geotermalni cirkulacioni sistem. Problem se nalazio u tome što voda nije mogla biti direktno ubrizgavana u stene, s obzirom da su naprsline granita bile zakrčene prirodnim nalazištima krečnjaka i drugog peska, glinom i nalazištima nemetala. Pre nego što je cirkulacioni test bio rađen u cilju potvrde izvodivosti sistema, pravo okruženje je trebalo da se stvori kako bi se omogućila eksploatacija.

„Koristili smo dve tehnike da uvećamo naprsline i da učinimo bušotine da služe povećanju povezanosti prirodnog sistema. Konvencionalna metoda - hidraulična stimulacija - sadržana je od ubrizgavanja hiljade kubnih metara sporo-tekuće vode u otvaranje stena. Loša strana hidraulične stimulacije je što ona izaziva mini zemljotrese. Dok je većina ovakvih potresa veoma niskog stepena, pojedini su toliki da se osećaju (otprilike 2 stepena Rihterove skale)." Takođe, hidraulična stimulacija je zahtevna za izvođenje. U 2006. godini, istraživači su radili na sličnom projektu u Bazelu u Švajcarskoj na kojem su uspeli da pokrenu zemljotres od 3,4 stepena Rihterove skale. „Sa naučnog stanovišta, takvi mikro-seizmički fenomeni su pozitivan znak, jer su dokaz efikasnosti stimulacije. Međutim, neki praktični problemi treba da budu rešeni. Jedan je da se mnoge naseobine (zgrade) nalaze u blizini, naravno koje moraju biti uzete u obzir. A drugi je, što hidraulička stimulacija nije uspela da proizvede traženi rezultat, s obzirom da povezanost bunara nije adekvatno unapređena. Odlučili smo se na hemijsku stimulaciju. Slabe kiseline su razblažene u vodi, potom ubrizgavane u podzemne slojeve kako bi rastvorile preostala hidrotermalna skladišta."

Bingo, proradilo je! U 2006. godini cirkulacioni testovi su pokazali da je ova kombinacija hemijske i hidraulične stimulacije unapredila hidraulične performanse sistema na zadovoljavajući nivo. Soultz projekat dobio je jedra i konstrukcija centrale je otpočela.

Iznad i ispod površine

Na malom brdašcu, na otprilike kilometru od EEIG kancelarija, nalazi se hardver Soultz-a - mesto na kojem je energetska centralna podignuta. Hardver se sastoji od neizbežne zbrke cevi okružene krupnim strukturama: dva crvena levka, seperatori i ogromne zelene platforme, hladnjaka. „Separatori su izgrađeni da odvajaju vodu od pare. Pošto su nekoliko meseci bunari bili ostavljeni da se odmore, ispumpavana geotermalna voda još je sadžavala brojne komadiće stene tako da u takvom stanju nije mogla biti ponovo ubrizgavana u bunar za ubrizgavanje. Takva bi samo oštetila i zaglavila filtere i oštetila opremu energetske centrale."

„Hladnjak se upotrebljava za pretvaranje izobutana u tečnu stanje - vrelinu prenosi fluid koji sa toplotom geotermalne vode, u razmenjivaču toplote, pokreće turbine centrale. S obzirom na nedostatak izvora hladne vode u blizini, odabir je bio na sistemu vazdušnog hlađenja opremljenog sa devet fenova."

Niže od hladnjaka, ključni element centrale, turbina, pažljivo je izolovana unutar specijalnog kućišta. Turbina je uparena sa generatorom za proizvodnju električne struje, koji proizvodi i puni nacionalnu električnu mrežu. Sa strane nalazi se toplotni razmenjivač, komplikovan sistem cilindara i cevi u kojoj geotermalna voda i izobutan cirkulišu.

U centru ove nadzemne instalacije smešteno je srce centrale, geotermalna trojka: tri bušotine koje dopiru do 5000 metara u zemlju. Istovremeno, one su i najstariji strukture na kojima je sva pažnja istraživača bila usmerena sve dok kasnije nisu dodate nadzemne instalacije. GPK3 je bušotina za ubrizgavanje kroz koju se uvodi voda u bušotinu. Potom voda izlazi iz proizvodnih bušotina, GPK2 i GPK4, koje transportuju geotermalnu vodu u nadzemni instalaciju. Iako na nadzemnom delu rastojanje između ovih bušotina iznosi samo 6 metara, na dubini rastojanje između svake od ove tri bušotine je 650 metara. „Ovo omogućuje da voda cirkuliše kroz naprsline dovoljno dugo da bi se zagrejala. Na početku, planirali smo da se domognemo dubine na kojoj je temperatura od 200 stepeni celzijusa - do tačke ključanja danas najkorišćenije tečnosti koja prenosi toplotu. Međutim, kao rezultat gubljenja toplote za zagrevanje cevi, tečnost izvučena na površinu nije bila toplija od 170 do 180 stepeni celzijusa. Na sreću, postoji organski „parnjak" za prenos toplote - izobutan, koji ima nižu tačku ključanja. Dok smo bušili ove tri bušotine otkrili smo da geotermalni gradijent nije konstantan. Što duže smo bušili, manje jasno je temperatura rasla. Danas znamo da je optimalna dubina između 3000 i 3500 metara."

Izazovi u budućnosti

Pored pominjane tri bušotine, još druge dve su izbušene u Saltz-u: prva, 3600 metara duboka, bušotina GPK1 korištena je za istraživanja i najvažnija je od svih, druga, 2200 metara duboka bušotina ESP1 dizajnirana je za monitoring osetljivih operacija centrale. Opremljena je sa beskonačnim brojem geotermanlnih i hidrauličnih senzora. „Od početka, ESP1 trebalo je da bude dovoljno duboko, međutim, kad je bušena, počela se širiti horizontalno tako da se moralo stati. Iako je ovo bilo razočarenje sa geotermalnog stanovišta, ispostavilo se da je ispalo srećno. Koristili smo ovu bušotinu za uzimanje uzoraka granita, od kojih smo dobili precizniju sliku o strukturi stene, njene prirode i okruženja. Uzorci sakupljeni iz drugih bušotina sadržavali su otpatke stena, što je značilo da možemo jedino da naslutimo orginalnu kompoziciju stene.

ESP1 nije bio jedini monitoring alat u Soultzu. Od ranih devedesetih, sistem bušotina za seizmenička posmatranja izgrađen je u blizini instalacije. Kao i ESP1, ove 1500 metara duboke bušotine zapravo su bivše naftna izvorišta prilagođena istraživanjima. "Podaci iz ovih seizmeničkih stanica su dodavani podacima francuske seizmološke nacionalne mreže (Reseau National de Surveillance Sismique, ReNaSS)."

Osvajanjem modernog i efektivnog sistema naprslina i kompletiranjem sistema prvi kilovati električne energije proizvedeni su u junu 2008. godine, što je učinilo Soultz projekat uspešnim u dostizanju osnovnih ciljeva. Izazovi budućnosti nisu manje značajni. "Čak i kad smo uspeli u velikom broju ubrizgavanja i kad smo ostvarili produkcioni ciklus, oni do sada nisu trajali duže od nekoliko meseci", objašnjava Marion Schindler, geofizičarka Nemačkog saveznog instituta za geonauke i prirodne izvore (Bundesanstalt fur Geowissenschaften une Rohstoffe, BGR), odgovorna za prikupljanje i centralizaciju hidrauličnih i podataka o temperaturi. "U godinama koje dolaze, nameravamo da prikupimo velik broj podataka o seizmološkim pokretima, temperaturi, pritisku i kvalitetu geotermalne vode. Sve ovo treba da nam omogući da sagledamo ponašanje naprslina kroz duži vremenski period", dodala je ona. "Vrlo je važno da imamo te podatke kako zbog geotermalnih energetskih centrala današnjice razvijenih širom sveta, tako i zbog onih koje će nastajati u budućnosti."

Više o istraživanju možete naći na www.soultz.net.