Izboljšan geotermalni sistem uporablja tehnologijo nafte in plina za pridobivanje nizkoogljične energije. 1. del.

Ameriško ministrstvo za energijo (DOE) je financiralo projekt, imenovan FORGE, kjer bodo vrtali in lomljeni vroče granitne kamnine z uporabo najboljše tehnologije nafte in plina. Splošni cilj je ugotoviti, ali je mogoče vodo, izčrpano v eno vrtino, krožiti skozi granit in jo segreti, preden črpamo drugo vrtino za pogon turbin, ki proizvajajo električno energijo.

John McLennan, Oddelek za kemijsko inženirstvo, Univerza v Utahu, je glavni raziskovalec tega projekta DOE. Predstavitev spletnega seminarja na to temo je sponzorirala NSI 6. aprila 2022: Frontier Observatorij za raziskave geotermalne energije (FORGE): Posodobitev in pogled naprej

Sledijo vprašanja, zastavljena Johnu McLennan, in njegovi odgovori.

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

Q1. Ali lahko opišete kratko zgodovino geotermalne energije?

Od zgodnjega dela v Larderellu v Italiji, v zgodnjih 1900-ih, se je geotermalna energija (za proizvodnjo električne energije in neposredno uporabo) razširila na zmogljivost električne proizvodnje 15.6 GWe (Gigawatov električne energije) leta 2021. Izkoriščenost je globalna – več kot 25 držav po vsem svetu. Vendar je alokacija še vedno majhen del svetovnega energetskega portfelja. Če pogledamo to globalno porazdelitev, je geotermalna energija običajno omejena na izražanje povišane temperature blizu površine, kot bi se zgodilo v bližini meja plošč, vulkanov itd.

Združene države imajo največjo instalirano geotermalno električno proizvodno zmogljivost, sledijo jim Indonezija, Filipini, Turčija, Nova Zelandija, Mehika, Italija, Kenija, Islandija, Japonska. Od teh operacij v Združenih državah bi lahko vrtine, ki proizvajajo geotermalno energijo, v povprečju 4 do 6 MWe. Na splošno lahko pri 392 °F (200 °C) in pretoku pri 9 bpm (378 gpm) proizvede 1 MWe, ki morda oskrbuje 759 do 1000 domov v Združenih državah.

Geotermalne elektrarne se razlikujejo po velikosti, od nekaj vrtin (nekatere proizvajajo do 50 MWe) do številnih vrtin. »Gejzirji, …, so največji kompleks geotermalnih elektrarn na svetu. Calpine, največji proizvajalec geotermalne energije v ZDA, ima v lasti in upravlja 13 elektrarn v The Geysers z neto proizvodno zmogljivostjo približno 725 megavatov električne energije – dovolj za napajanje 725,000 domov ali mesta velikosti San Francisca.

Q2. Kaj so izboljšani geotermalni sistemi in kje se uporablja fracking?

Pred približno petdesetimi leti so si koncept izboljšanih geotermalnih sistemov (EGS) zamislili znanstveniki in inženirji v Los Alamos Scientific Laboratories (zdaj LANL). Takrat je bil koncept znan kot vroča suha skala (HDR). Ena od metodologije je vrtanje vbrizgalne in proizvodne vrtine ter ustvarjanje prelomov, ki ju povezujejo. Ti zlomi služijo kot toplotni izmenjevalci – podobno kot radiator v avtomobilu.

Voda se v tem zaprtem sistemu uporablja kot delovna tekočina (voda se ne izgubi). Hladna tekočina se vbrizga v eno vdolbino. Prehaja skozi razpoke in pri tem pridobiva toploto iz vroče kamnine. Ta vroča tekočina se proizvede na površino skozi drugo vrtino v dupletu. Na površini se lahko segreta tekočina pretvori v paro ali teče skozi organsko ciklično napravo Rankine, da poganja turbino in nato generator. Voda z odvzeto toploto kroži.

Čeprav gre za zdravo idejo, je bil uspeh že petdeset let od njene zasnove oviran. Čeprav je bilo po vsem svetu več projektov, z znanstvenim uspehom, komercialnost ni bila dosežena in proizvodnja električne energije pri teh pilotnih projektih ni presegla ~1 MWe.

V ZDA pa je vir pomemben. V zahodnih Združenih državah so ocene 519 GWe pri globinah vrtanja manj kot 15,000 do 20,000 čevljev. Sodobna tehnologija vrtanja, prilagojena naftni industriji, omogoča to vrtanje. Združite to z razvojem, ki omogoča vrtanje vodoravnih vrtin in ustvarjanje številnih hidravličnih zlomov vzdolž teh vrtin (predstavljajte si, da vsak zlom zagotavlja znatno površino za izmenjavo toplote) in izboljšani geotermalni sistemi so izvedljivi.

Ustvarjanje lomnega sistema s hidravličnim lomljenjem je ključni element. To ni novo. Prvič so ga preizkusili za EGS na lokaciji Fenton Hill v kalderi Jemez v Novi Mehiki, med zgodnjim razvojem v Los Alamos National Laboratories. Omeniti velja, da je decembra 1983 izčrpan en velik hidravlični lom, da bi poskušali povezati dve vrtini (preden se je začelo sodobno usmerjeno vrtanje). Pri tej hidravlični stimulaciji je bilo črpanih 5.7 milijona litrov vode z dodanim reduktorjem trenja s hitrostjo do 50 bpm (2100 galon na minuto) pri tlaku v vrtini do približno 12,000 psi. Fini delci CaCO₃ so bili dodani za nadzor izgube tekočine (za poenostavitev sistema zloma).

Lekcije, pridobljene na Fenton Hillu, drugih lokacijah po svetu, in tehnologije iz drugih industrij pridobivanja (nagnjeno in vodoravno vrtanje, večstopenjski lomljenje) so spodbudile Ministrstvo za energijo Združenih držav Amerike (DOE), da je začelo prenovljen raziskovalni program, znan kot FORGE (Frontier Observatory). za raziskave geotermalne energije) za izgradnjo terenskega laboratorija za testiranje novih tehnologij, ki bi omogočile komercializacijo EGS.

Q3. Povejte nam o mestu projekta FORGE v Utahu in zakaj je bilo izbrano.

DOE je sponzoriral tekmovanje med petimi vidnimi lokacijami EGS v Združenih državah. To je bilo pozneje »izbrano navzdol« na mesta v Fallonu v Nevadi in Milfordu v Utahu. Leta 2019 je bilo mesto Milford na koncu izbrano za lokacijo terenskega laboratorija FORGE (glej sliko na vrhu objave).

Merila za izbor so vključevala 1) temperature rezervoarja med 175 in 225 °C (dovolj vroče za dokazovanje konceptov, vendar ne tako vroče, da bi oviral razvoj tehnologije), 2) na globinah, večjih od 1.5 km (dovolj globoko, da je razvoj tehnologije vrtanja izvedljiv) , 3) nizko prepustna kamnina (granit na lokaciji FORGE), 4) nizka nevarnost povzročanja seizmičnosti med obratovanjem, 5) nizka okoljska tveganja in 6) ni povezave s konvencionalnim geotermalnim sistemom.

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

2. del bo nadaljeval temo z obravnavanjem naslednjih vprašanj in odgovorov:

Q4. Kakšna je osnovna zasnova vbrizgalne in proizvodne vrtine?

Q5. Ali lahko povzamete tri obdelave loma v injekcijski vrtini in njihove rezultate?

Q6. Kakšen je potencial za komercialno uporabo?