Poboljšani geotermalni sistem koristi tehnologiju nafte i plina za iskopavanje energije s niskim udjelom ugljika. Dio 1.

Američko ministarstvo energetike (DOE) finansiralo je projekat pod nazivom FORGE u kojem će vruće granitne stijene biti bušene i frakirane korištenjem najbolje tehnologije nafte i plina. Opšti cilj je da se vidi da li voda koja se pumpa niz jedan bunar može cirkulisati kroz granit i zagrejati pre nego što se upumpa drugi bunar za pogon turbina koje proizvode električnu energiju.

John McLennan, Odsjek za hemijsko inženjerstvo, Univerzitet Utah, je glavni istraživač za ovaj DOE projekat. Webinar prezentaciju na ovu temu sponzorirao je NSI 6. aprila 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 istoriju geotermalne energije?

Od ranog rada u Larderellu u Italiji, ranih 1900-ih, geotermalna energija (za proizvodnju električne energije i direktnu upotrebu) se proširila na instalirane kapacitet proizvodnje električne energije od 15.6 GWe (Gigavati električne energije) u 2021. Korištenje je globalno – više od 25 zemalja širom 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, 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. Po pravilu, na 392°F (200°C) i protoku pri 9 otkucaja u minuti (378 gpm), može proizvesti 1 MWe, možda opslužujući 759 do 1000 domova u Sjedinjenim Državama.

Geotermalne elektrane se razlikuju po veličini, od nekoliko bunara (neke proizvode i do 50 MWe) do mnogih bunara. „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. Šta su poboljšani geotermalni sistemi i gdje se primjenjuje fracking?

Prije pedesetak godina, koncept poboljšanih geotermalnih sistema (EGS) zamislili su naučnici i inženjeri iz naučnih laboratorija Los Alamosa (sada LANL). Tada je koncept bio poznat kao vruća suha stijena (HDR). Jedna metodologija je bušenje injekcione i proizvodne bušotine i stvaranje pukotina koje ih međusobno povezuju. Ovi prelomi služe kao izmjenjivači topline – slično kao radijator u automobilu.

Voda se koristi kao radni fluid u ovom zatvorenom sistemu (voda se ne gubi). Hladni fluid se ubrizgava u jednu bušotinu. Prolazi kroz pukotine i pritom dobija toplotu od vruće stijene. Ova vruća tekućina se proizvodi na površinu kroz drugu bušotinu u dubletu. Na površini, zagrijana tekućina se može pretvoriti u paru ili proći kroz postrojenje s organskim Rankineovim ciklusom da pokreće turbinu, a potom i generator. Voda, sa odvedenom toplotom, cirkuliše.

Iako je to zdrava ideja, uspjeh je bio u zastoju već pedeset godina od njenog osmišljavanja. Iako je bilo više projekata širom svijeta, s naučnim uspjehom, komercijalnost nije postignuta i proizvodnja električne energije na ovim pilot-projektima nije premašila ~1 MWe.

Međutim, u SAD 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 izvodljivim. Uparite to sa razvojem koji omogućava bušenje horizontalnih bunara i stvaranje mnoštva hidrauličnih pukotina duž ovih bušotina (zamislite da svaka fraktura pruža značajnu površinu za razmenu toplote) i poboljšani geotermalni sistemi su izvodljivi.

Kreiranje sistema loma hidrauličkim lomljenjem je ključni element. Ovo nije novo. Prvi put je isproban za EGS na lokaciji Fenton Hill u Jemez kalderi u Novom Meksiku, tokom ranog razvoja od strane Los Alamos National Laboratories. Treba napomenuti da je jedna velika hidraulička pukotina pumpana u decembru 1983. kako bi se pokušalo međusobno povezati dvije bušotine (prije nego što je moderno usmjereno bušenje bilo lako primijenjeno). U toj hidrauličnoj stimulaciji, 5.7 miliona galona vode sa dodanim reduktorom trenja je pumpano brzinom do 50 bpm (2100 galona u minuti) pri pritisku u bušotini do oko 12,000 psi. Fine čestice CaCO₃ dodani su za kontrolu gubitka tečnosti (da bi se pojednostavio sistem loma).

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

Q3. Recite nam o lokaciji projekta FORGE u Utahu i zašto je odabrana.

DOE je sponzorirao takmičenje između pet istaknutih EGS lokacija u Sjedinjenim Državama. Ovo je naknadno "niže odabrano" na lokacije u Fallonu, Nevada, i Milfordu, Utah. U 2019., lokacija u Milfordu je konačno odabrana kao lokacija terenske laboratorije FORGE (pogledajte sliku na vrhu posta).

Kriterijumi za odabir uključivali su 1) temperature ležišta između 175 i 225°C (dovoljno vruće da se dokaže koncept, ali ne toliko da je razvoj tehnologije ometen), 2) na dubinama većim od 1.5 km (dovoljno duboko da je razvoj tehnologije bušenja izvodljiv) , 3) stena niske propusnosti (granit na lokaciji FORGE), 4) nizak rizik od izazivanja seizmičnosti tokom rada, 5) mali ekološki rizici, i 6) nema veze sa konvencionalnim geotermalnim sistemom.

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

Drugi dio nastavit će temu rješavanjem sljedećih pitanja i odgovora:

Q4. Koji je osnovni dizajn injekcionih i proizvodnih bunara?

Q5. Možete li sumirati tri tretmana loma u injekcionoj bušotini i njihove rezultate?

Q6. Kakav je potencijal za komercijalnu primjenu?