Vylepšený geotermálny systém využíva technológiu ropy a zemného plynu na ťažbu energie s nízkym obsahom uhlíka. Časť 1.

Americké ministerstvo energetiky (DOE) financovalo projekt s názvom FORGE, v ktorom sa bude vŕtať horúca žulová hornina a štiepiť sa pomocou najlepšej technológie ropy a zemného plynu. Celkovým cieľom je zistiť, či voda čerpaná z jednej studne môže cirkulovať cez žulu a zohriať ju predtým, ako sa načerpá druhá studňa na pohon turbín, ktoré vyrábajú elektrinu.

John McLennan, Katedra chemického inžinierstva Univerzity v Utahu, je spoluriešiteľom tohto projektu DOE. Prezentáciu webinára na túto tému sponzoroval NSI 6. apríla 2022: Frontier Observatórium pre výskum geotermálnej energie (FORGE): Aktualizácia a výhľad

Nasledujú otázky položené Johnovi McLennanovi a jeho odpovede.

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

Q1. Môžete poskytnúť stručnú históriu geotermálnej energie?

Od ranej práce v Larderello v Taliansku na začiatku 1900. storočia sa geotermálna energia (na výrobu elektriny a priame využitie) rozšírila na inštalovanú elektrická výrobná kapacita 15.6 GWe (GigaWatts elektriny) v roku 2021. Využitie je globálne – viac ako 25 krajín sveta. Alokácia je však stále malou časťou svetového energetického portfólia. Pri pohľade na túto globálnu distribúciu je konvenčne geotermálna energia obmedzená na blízkopovrchové vyjadrenie zvýšenej teploty, ku ktorej by došlo v blízkosti hraníc platní, sopiek atď.

Najväčšiu inštalovanú kapacitu geotermálnej elektriny majú Spojené štáty, za nimi nasledujú Indonézia, Filipíny, Turecko, Nový Zéland, Mexiko, Taliansko, Keňa, Island, Japonsko. Z týchto operácií v Spojených štátoch môžu vrty produkujúce geotermálnu energiu v priemere 4 až 6 MWe. Spravidla pri 392 °F (200 °C) a prietoku 9 bpm (378 gpm), rádovo 1 MWe môže generovať, možno obsluhovať 759 až 1000 domácností v Spojených štátoch.

Geotermálne elektrárne sa líšia veľkosťou, od niekoľkých vrtov (niektoré produkujú až 50 MWe) až po veľa vrtov. „Gejzíry… sú najväčším komplexom geotermálnych elektrární na svete. Calpine, najväčší výrobca geotermálnej energie v USA, vlastní a prevádzkuje 13 elektrární v The Geysers s čistou výrobnou kapacitou približne 725 megawattov elektriny, čo je dostatočné na napájanie 725,000 XNUMX domácností alebo mesta veľkosti San Francisca.

Q2. Čo sú vylepšené geotermálne systémy a kde sa používa frakovanie?

Asi pred päťdesiatimi rokmi si vedci a inžinieri z Los Alamos Scientific Laboratories (teraz LANL) predstavili koncept vylepšených geotermálnych systémov (EGS). Vtedy bol tento koncept známy ako horúci suchý kameň (HDR). Jednou z metód je vyvŕtanie injektážneho a ťažobného vrtu a vytvorenie zlomov, ktoré ich spájajú. Tieto zlomy slúžia ako výmenníky tepla – podobne ako chladič v automobile.

V tomto uzavretom systéme sa ako pracovná kvapalina používa voda (voda sa nestráca). Do jednej jamky sa vstrekuje studená tekutina. Prechádza puklinami a pri tom získava teplo z horúcej horniny. Táto horúca tekutina sa dostáva na povrch cez druhý otvor v dublete. Na povrchu môže byť ohriata kvapalina premenená na paru alebo prechádzať cez organické zariadenie Rankinovho cyklu na pohon turbíny a následne generátora. Voda s odobratým teplom recirkuluje.

Aj keď je to dobrý nápad, úspech bol zmarený päťdesiat rokov od jeho počatia. Aj keď na celom svete prebiehalo viacero projektov s vedeckým úspechom, komerčnosť sa nedosiahla a výroba elektrickej energie v týchto pilotných projektoch nepresiahla ~1 MWe.

V USA je však tento zdroj významný. V západných Spojených štátoch sa odhaduje 519 GWe pri hĺbkach vrtov menších ako 15,000 20,000 až XNUMX XNUMX stôp. Moderná technológia vŕtania, prispôsobená ropnému priemyslu, umožňuje toto vŕtanie. Skombinujte to s vývojom, ktorý umožňuje vŕtanie horizontálnych vrtov a vytváranie množstva hydraulických zlomov pozdĺž týchto vrtov (predstavte si, že každý zlom poskytuje značnú plochu na výmenu tepla) a vylepšené geotermálne systémy sú realizovateľné.

Kľúčovým prvkom je vytvorenie lomového systému hydraulickým štiepením. Toto nie je novinka. Prvýkrát bol vyskúšaný pre EGS v lokalite Fenton Hill v Jemez Caldera v Novom Mexiku, počas raného vývoja v Los Alamos National Laboratories. Za zmienku stojí jedna veľká hydraulická trhlina čerpaná v decembri 1983, aby sa pokúsili prepojiť dva vrty (predtým, než sa začalo používať moderné smerové vrty). Pri tejto hydraulickej stimulácii bolo čerpaných 5.7 milióna galónov vody s pridaným reduktorom trenia rýchlosťou až 50 bpm (2100 12,000 galónov za minútu) pri tlakoch v hĺbke až do približne XNUMX XNUMX psi. Jemné častice CaCO₃ boli pridané na kontrolu straty tekutín (na zjednodušenie systému zlomenín).

Ponaučenia získané z Fenton Hill, iných lokalít po celom svete a technológie z iných ťažobných odvetví (naklonené a horizontálne vŕtanie, viacstupňové štiepenie) povzbudili Ministerstvo energetiky Spojených štátov amerických (DOE), aby iniciovalo obnovený výskumný program známy ako FORGE (Frontier Observatory). pre výskum geotermálnej energie) vybudovať poľné laboratórium na testovanie nových technológií, ktoré by umožnili komercializáciu EGS.

Q3. Povedzte nám o mieste projektu FORGE v Utahu a prečo bol vybraný.

DOE sponzorovala súťaž medzi piatimi poprednými miestami EGS v Spojených štátoch. Toto bolo následne „vyberané“ na miesta vo Fallone v Nevade a Milforde v Utahu. V roku 2019 bolo miesto v Milforde nakoniec vybrané ako miesto poľného laboratória FORGE (pozri obrázok v hornej časti príspevku).

Kritériá výberu zahŕňali 1) teploty v nádrži medzi 175 a 225 °C (dostatočne horúce na overenie konceptov, ale nie také horúce, aby to bránilo vývoju technológie), 2) v hĺbkach väčších ako 1.5 km (dostatočne hlboké na to, aby bol vývoj technológie vŕtania realizovateľný) , 3) hornina s nízkou priepustnosťou (žula v lokalite FORGE), 4) nízke riziko vyvolania seizmicity počas prevádzky, 5) nízke environmentálne riziká a 6) žiadne spojenie s konvenčným geotermálnym systémom.

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

Časť 2 bude pokračovať v téme zodpovedaním nasledujúcich otázok a odpovedí:

Q4. Aká je základná konštrukcia vstrekovacích a ťažobných vrtov?

Q5. Mohli by ste dobre zhrnúť tri ošetrenia Frac v injekcii a ich výsledky?

Q6. Aký je potenciál pre komerčné využitie?