Ulepszony system geotermalny wykorzystuje technologię ropy naftowej i gazu do wydobywania energii niskowęglowej. Część 1.

Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) sfinansował projekt o nazwie FORGE, w ramach którego będzie wiercony i szczelinowany gorący granit przy użyciu najlepszych technologii naftowych i gazowych. Ogólnym celem jest sprawdzenie, czy woda pompowana do jednej studni może krążyć w granicie i ogrzewać przed pompowaniem drugiej studni, aby napędzać turbiny wytwarzające energię elektryczną.

John McLennan z Wydziału Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu Utah jest głównym badaczem tego projektu DOE. Prezentacja webinaru na ten temat była sponsorowana przez NSI w dniu 6 kwietnia 2022 r.: FObserwatorium Badań nad Energią Geotermalną rontier (FORGE): aktualizacja i spojrzenie w przyszłość

Poniżej znajdują się pytania zadane Johnowi McLennanowi i jego odpowiedzi.

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

Q1. Czy możesz przedstawić krótką historię energii geotermalnej?

Od początków prac w Larderello we Włoszech, na początku XX wieku, energia geotermalna (do wytwarzania energii elektrycznej i bezpośredniego wykorzystania) rozszerzyła się na zainstalowaną moc wytwórczą energii elektrycznej 15.6 GWe (Gigawatów energii elektrycznej) w 2021 r. Wykorzystanie ma charakter globalny – ponad 25 krajów na całym świecie. Jednakże alokacja stanowi w dalszym ciągu niewielką część światowego portfela energii. Patrząc na ten globalny rozkład, tradycyjnie energia geotermalna ogranicza się do przypowierzchniowego wyrażania się podwyższonej temperatury, co ma miejsce w pobliżu granic płyt, wulkanów itp.

Stany Zjednoczone mają największą zainstalowaną moc wytwarzania energii geotermalnej, a za nimi plasują się Indonezja, Filipiny, Turcja, Nowa Zelandia, Meksyk, Włochy, Kenia, Islandia i Japonia. Spośród tych operacji w Stanach Zjednoczonych odwierty wytwarzające energię geotermalną mogą mieć średnio 4 do 6 MWe. Z reguły przy temperaturze 392°F (200°C) i przepływie z prędkością 9 uderzeń na minutę (378 gal/min) moc rzędu 1 MWe może być generowana i obsługiwać od 759 do 1000 domów w Stanach Zjednoczonych.

Elektrownie geotermalne różnią się wielkością, od kilku odwiertów (niektóre o mocy do 50 MWe) po wiele odwiertów. „Gejzery… to największy kompleks elektrowni geotermalnych na świecie. Calpine, największy producent energii geotermalnej w USA, jest właścicielem i operatorem 13 elektrowni w The Geysers o mocy netto wynoszącej około 725 megawatów energii elektrycznej – wystarczającej do zasilenia 725,000 XNUMX domów lub miasta wielkości San Francisco”.

Q2. Co to są wzmocnione systemy geotermalne i gdzie stosuje się szczelinowanie?

Około pięćdziesiąt lat temu naukowcy i inżynierowie z Los Alamos Scientific Laboratories (obecnie LANL) wpadli na pomysł udoskonalonych systemów geotermalnych (EGS). Koncepcja ta była wówczas znana jako gorąca sucha skała (HDR). Jedną z metod jest wykonanie odwiertu zatłaczającego i produkcyjnego oraz utworzenie łączących je szczelin. Pęknięcia te służą jako wymienniki ciepła – podobnie jak chłodnica w samochodzie.

W tym układzie zamkniętym jako płyn roboczy wykorzystywana jest woda (woda nie jest tracona). Zimny ​​płyn jest wstrzykiwany do jednej studzienki. Przechodzi przez pęknięcia i pozyskuje ciepło z gorącej skały. Gorący płyn wydostaje się na powierzchnię przez drugi odwiert w dublecie. Na powierzchni ogrzany płyn można zamienić w parę lub przepuścić przez instalację z organicznym obiegiem Rankine’a w celu napędzania turbiny, a następnie generatora. Woda po odebraniu ciepła jest recyrkulowana.

Choć jest to rozsądny pomysł, od jego powstania minęło pięćdziesiąt lat. Chociaż na całym świecie przeprowadzono wiele projektów, które zakończyły się sukcesem naukowym, nie osiągnięto komercji, a produkcja energii elektrycznej w tych pilotażach nie przekroczyła ~ 1 MWe.

Jednak w USA zasoby te są znaczące. W zachodnich Stanach Zjednoczonych szacuje się, że moc wyniesie 519 GWe przy głębokościach odwiertów mniejszych niż 15,000 20,000–XNUMX XNUMX stóp. Dzięki nowoczesnej technologii wierceń, zaadaptowanej z przemysłu naftowego, wiercenie to jest wykonalne. W połączeniu z rozwiązaniami umożliwiającymi wiercenie poziomych odwiertów i tworzeniem wielu szczelin hydraulicznych wzdłuż tych odwiertów (wyobraźcie sobie, że każde pęknięcie zapewnia znaczną powierzchnię do wymiany ciepła), możliwe jest wprowadzenie Ulepszonych Systemów Geotermalnych.

Kluczowym elementem jest utworzenie układu szczelin poprzez szczelinowanie hydrauliczne. To nie jest nic nowego. Po raz pierwszy wypróbowano go pod kątem EGS w zakładzie Fenton Hill w kalderze Jemez w Nowym Meksyku, podczas wczesnych prac rozwojowych prowadzonych przez Laboratoria Narodowe Los Alamos. Godne uwagi jest jedno duże pęknięcie hydrauliczne pompowane w grudniu 1983 r. w celu próby połączenia dwóch odwiertów (zanim powszechnie stosowano nowoczesne wiercenia kierunkowe). Podczas tej stymulacji hydraulicznej przepompowano 5.7 miliona galonów wody z dodatkiem reduktora tarcia z prędkością do 50 uderzeń na minutę (2100 galonów na minutę) przy ciśnieniu w odwiercie do około 12,000 XNUMX psi. Drobne cząstki CaCO₃ dodano w celu kontroli utraty płynu (aby uprościć system pękania).

Doświadczenia wyciągnięte z Fenton Hill i innych zakładów na całym świecie oraz technologie z innych gałęzi przemysłu wydobywczego (wiercenia nachylone i poziome, szczelinowanie wieloetapowe) zachęciły Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) do zainicjowania odnowionego programu badawczego znanego jako FORGE (Obserwatorium Graniczne ds. Badań nad Energią Geotermalną) w celu zbudowania laboratorium terenowego do testowania nowych technologii, które umożliwiłyby komercjalizację EGS.

Q3. Opowiedz nam o lokalizacji projektu FORGE w Utah i dlaczego została wybrana.

DOE sponsorowało konkurs pomiędzy pięcioma znaczącymi lokalizacjami EGS w Stanach Zjednoczonych. Zostały one następnie „wybrane w dół” do lokalizacji w Fallon w stanie Nevada i Milford w stanie Utah. W 2019 r. ostatecznie wybrano lokalizację w Milford na lokalizację laboratorium terenowego FORGE (patrz zdjęcie u góry postu).

Kryteriami wyboru były: 1) temperatura złóż w granicach 175–225°C (wystarczająco wysoka, aby potwierdzić koncepcje, ale nie tak wysoka, aby utrudniała rozwój technologii), 2) na głębokościach większych niż 1.5 km (na tyle głębokich, że możliwy jest rozwój technologii wierceń). , 3) skała o niskiej przepuszczalności (granit na terenie FORGE), 4) niskie ryzyko wywołania sejsmiczności podczas eksploatacji, 5) niskie ryzyko dla środowiska oraz 6) brak połączenia z konwencjonalnym systemem geotermalnym.

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

Część 2 będzie kontynuacją tematu, omawiając następujące pytania i odpowiedzi:

Q4. Jaka jest podstawowa konstrukcja studni zatłaczającej i produkcyjnej?

Pytanie 5. Czy mógłbyś podsumować trzy zabiegi szczelinowania w odwiercie iniekcyjnym i ich wyniki?

Q6. Jaki jest potencjał zastosowania komercyjnego?