Poboljšani geotermalni sustav koristi tehnologiju nafte i plina za rudarenje energije s niskim udjelom ugljika. 1. dio.

Ministarstvo energetike SAD-a (DOE) financiralo je projekt pod nazivom FORGE gdje će se vruća granitna stijena bušiti i frakirati korištenjem najbolje tehnologije nafte i plina. Opći cilj je vidjeti može li se voda ispumpana u jednu bušotinu kružiti kroz granit i zagrijati prije nego što se pumpa u drugu bušotinu za pogon turbina koje proizvode električnu energiju.

John McLennan, Odjel za kemijsko inženjerstvo, Sveučilište Utah, glavni je istraživač za ovaj DOE projekt. Webinar prezentaciju na ovu temu sponzorirao je NSI 6. travnja 2022.: Frontier Opservatorij za istraživanje geotermalne energije (FORGE): ažuriranje i pogled naprijed

Slijede pitanja postavljena Johnu McLennan-u i njegovi odgovori.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Q1. Možete li dati kratku povijest geotermalne energije?

Od ranog rada u Larderellu u Italiji, ranih 1900-ih, geotermalna energija (za proizvodnju električne energije i izravnu upotrebu) proširila se na instalirane kapacitet proizvodnje električne energije od 15.6 GWe (GigaWatts električne energije) 2021. Iskorištenje je globalno – više od 25 zemalja diljem svijeta. Međutim, alokacija je još uvijek mali dio svjetskog energetskog portfelja. Gledajući ovu globalnu distribuciju, konvencionalno, geotermalna energija je ograničena na ekspresiju povišene temperature blizu površine kao što bi se dogodilo u blizini granica ploča, vulkana itd.

Sjedinjene Države imaju najveći instalirani proizvodni kapacitet geotermalne električne energije, a slijede Indonezija, Filipini, Turska, Novi Zeland, Meksiko, Italija, Kenija, Island, Japan. Od ovih operacija u Sjedinjenim Državama, bušotine koje proizvode geotermalnu energiju mogle bi u prosjeku 4 do 6 MWe. U pravilu, pri 392°F (200°C) i protoku pri 9 bpm (378 gpm), može generirati 1 MWe, možda opslužujući 759 do 1000 domova u Sjedinjenim Državama.

Geotermalne elektrane se razlikuju po veličini, od nekoliko bušotina (neke proizvode i do 50 MWe) do mnogih bušotina. “Gejziri, …, najveći su kompleks geotermalnih elektrana na svijetu. Calpine, najveći proizvođač geotermalne energije u SAD-u, posjeduje i upravlja s 13 elektrana u The Geysers s neto proizvodnim kapacitetom od oko 725 megavata električne energije – dovoljno za napajanje 725,000 domova ili grada veličine San Francisca.”

Q2. Što su poboljšani geotermalni sustavi i gdje se primjenjuje fracking?

Prije pedesetak godina, koncept poboljšanih geotermalnih sustava (EGS) zamislili su znanstvenici i inženjeri iz Los Alamos Scientific Laboratories (sada LANL). Tada je koncept bio poznat kao vruća suha stijena (HDR). Jedna metodologija je bušenje injekcijske i proizvodne bušotine i stvaranje pukotina koje ih međusobno povezuju. Ovi prijelomi služe kao izmjenjivači topline - slično kao radijator u automobilu.

Voda se koristi kao radni fluid u ovom zatvorenom sustavu (voda se ne gubi). Hladna tekućina se ubrizgava u jednu bušotinu. Prolazi kroz pukotine i pritom dobiva toplinu od vruće stijene. Ova vruća tekućina se proizvodi na površinu kroz drugu bušotinu u dubletu. Na površini se zagrijana tekućina može pretvoriti u paru ili proći kroz organsko postrojenje Rankineovog ciklusa za pogon turbine, a potom i generatora. Voda, s odvedenom toplinom, ponovno cirkulira.

Iako je to zdrava ideja, uspjeh je bio u zastoju već pedeset godina od njezine zamisli. Iako je bilo više projekata diljem svijeta, sa znanstvenim uspjehom, komercijalnost nije postignuta, a proizvodnja električne energije na tim pilot-proizvodima nije premašila ~1 MWe.

Međutim, u SAD-u je taj resurs značajan. U zapadnim Sjedinjenim Državama, procjene su 519 GWe na dubinama bušenja manjim od 15,000 do 20,000 stopa. Moderna tehnologija bušenja, prilagođena naftnoj industriji, čini ovo bušenje izvedivim. Uparite to s razvojem koji omogućuje bušenje horizontalnih bušotina i stvaranje mnoštva hidrauličnih pukotina duž ovih bušotina (zamislite da svaki lom pruža značajnu površinu za izmjenu topline) i poboljšani geotermalni sustavi su izvedivi.

Stvaranje sustava loma hidrauličkim frakturiranjem je ključni element. Ovo nije novo. Prvi put je isproban za EGS na lokaciji Fenton Hill u Jemez Calderi u Novom Meksiku, tijekom ranog razvoja od strane Los Alamos National Laboratories. Treba napomenuti da je jedna velika hidraulička fraktura pumpana u prosincu 1983. kako bi se pokušalo međusobno povezati dvije bušotine (prije nego što se počelo primjenjivati ​​moderno usmjereno bušenje). U toj hidrauličkoj stimulaciji, 5.7 milijuna galona vode s dodanim reduktorom trenja pumpano je brzinom do 50 bpm (2100 galona u minuti) pri tlaku u bušotini do oko 12,000 psi. Fine čestice CaCO₃ dodani su za kontrolu gubitka tekućine (kako bi se pojednostavio sustav loma).

Lekcije naučene od Fenton Hilla, drugih lokacija širom svijeta, i tehnologije iz drugih eksploatacijskih industrija (nagnuto i horizontalno bušenje, višestupanjsko frakturiranje) potaknule su Ministarstvo energetike Sjedinjenih Država (DOE) da pokrene obnovljeni istraživački program poznat kao FORGE (Frontier Observatory). za istraživanje geotermalne energije) za izgradnju terenskog laboratorija za testiranje novih tehnologija koje bi omogućile komercijalizaciju EGS-a.

Q3. Recite nam o mjestu projekta FORGE u Utahu i zašto je odabrano.

DOE je sponzorirao natjecanje između pet istaknutih EGS lokacija u Sjedinjenim Državama. To je naknadno "niže odabrano" na stranice u Fallonu, Nevada, i Milfordu, Utah. U 2019., mjesto Milford je konačno odabrano kao mjesto terenskog laboratorija FORGE (vidi sliku na vrhu posta).

Kriteriji za odabir uključivali su 1) temperature ležišta između 175 i 225°C (dovoljno vruće da se dokaže koncept, ali ne toliko vruće da bi razvoj tehnologije bio spriječen), 2) na dubinama većim od 1.5 km (dovoljno duboko da je razvoj tehnologije bušenja izvediv) , 3) stijena niske propusnosti (granit na lokaciji FORGE), 4) nizak rizik od induciranja seizmičnosti tijekom operacija, 5) niski rizici za okoliš i 6) nepovezanost s konvencionalnim geotermalnim sustavom.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++

Drugi dio nastavit će temu rješavanjem sljedećih pitanja i odgovora:

Q4. Koji je osnovni dizajn injekcione i proizvodne bušotine?

Q5. Možete li sažeti tri tretmana loma u injektnoj bušotini i njihove rezultate?

P6. Kakav je potencijal za komercijalnu primjenu?