Tehostettu geoterminen järjestelmä käyttää öljy- ja kaasuteknologiaa vähähiilisen energian louhimiseen. Osa 1.

Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) on rahoittanut FORGE-nimistä projektia, jossa kuumaa graniittikiveä porataan ja murskataan käyttämällä parasta öljy- ja kaasuteknologiaa. Yleisenä tavoitteena on nähdä, voidaanko yhteen kaivoon pumpattua vettä kierrättää graniitin läpi ja lämmittää ennen toisen kaivon pumppaamista sähköä tuottavien turbiinien käyttämiseksi.

John McLennan, Utahin yliopiston kemiantekniikan laitos, on tämän DOE-projektin päätutkija. NSI sponsoroi tätä aihetta käsittelevän webinaariesityksen 6. huhtikuuta 2022: Frontier Geotermaalisen energian tutkimuksen observatorio (FORGE): päivitys ja tulevaisuus

Seuraavassa on John McLennanille esitettyjä kysymyksiä ja hänen vastauksiaan.

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

Q1. Voitko kertoa lyhyen historian geotermisestä energiasta?

Varhaisesta työstä Larderellossa Italiassa, 1900-luvun alussa, geoterminen energia (sähköntuotantoon ja suoraan käyttöön) on laajentunut asennettuun sähköntuotantokapasiteetti 15.6 GWe (gigawattia sähköä) vuonna 2021. Käyttö on globaalia – yli 25 maassa maailmanlaajuisesti. Allokaatio on kuitenkin edelleen pieni osa maailman energiasalkusta. Tätä maailmanlaajuista jakautumista tarkasteltaessa voidaan todeta, että tavanomaisesti geoterminen energia on rajoittunut kohonneen lämpötilan ilmaisuun lähellä pintaa, kuten tapahtuisi lähellä laattojen rajoja, tulivuoria jne.

Yhdysvalloilla on suurin asennettu geotermisen sähkön tuotantokapasiteetti, jota seuraavat Indonesia, Filippiinit, Turkki, Uusi-Seelanti, Meksiko, Italia, Kenia, Islanti ja Japani. Näistä Yhdysvaltojen toiminnoista geotermistä energiaa tuottavat kaivot saattavat keskimäärin 4–6 MWe. Nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että lämpötilassa 392 °F (200 °C) ja virtausnopeudella 9 bpm (378 gpm), 1 MWe:n luokkaa, voidaan tuottaa ja ehkä huoltaa 759–1000 kotia Yhdysvalloissa.

Geotermiset voimalaitokset vaihtelevat kooltaan muutamasta kaivosta (jotkut tuottavat jopa 50 MWe) useisiin kaivoihin. "Geysers, …, on maailman suurin geotermisten voimalaitosten kompleksi. Calpine, Yhdysvaltain suurin geotermisen sähkön tuottaja, omistaa ja käyttää Geysersissä 13 voimalaitosta, joiden nettotuotantokapasiteetti on noin 725 megawattia sähköä, mikä riittää 725,000 XNUMX kodin tai San Franciscon kokoisen kaupungin sähkönlähteeksi.

Q2. Mitä parannetut geotermiset järjestelmät ovat ja missä murskausta käytetään?

Noin viisikymmentä vuotta sitten Los Alamos Scientific Laboratoriesin (nykyisin LANL) tiedemiehet ja insinöörit suunnittelivat tehostettujen geotermisten järjestelmien (EGS) konseptin. Tuolloin konsepti tunnettiin nimellä hot dry rock (HDR). Eräs menetelmä on porata ruiskutuskaivo ja tuotantokaivo ja luoda niitä yhdistävät rakot. Nämä murtumat toimivat lämmönvaihtimina – aivan kuten auton jäähdytin.

Tässä suljetussa järjestelmässä työnesteenä käytetään vettä (vesi ei häviä). Kylmää nestettä ruiskutetaan yhteen kuoppaan. Se kulkee rakojen läpi ja saa siten lämpöä kuumasta kivestä. Tämä kuuma neste tuotetaan pintaan dupletin toisen kuopan kautta. Pinnalla lämmitetty neste voidaan leimahtaa höyryksi tai ajaa orgaanisen Rankinen kiertolaitoksen läpi turbiinin ja myöhemmin generaattorin käyttämiseksi. Vesi, jonka lämpö on otettu pois, kierrätetään.

Vaikka idea onkin hyvä, menestys on ollut esteenä 1 vuoden ajan sen suunnittelusta. Vaikka eri puolilla maailmaa on ollut useita projekteja, tieteellisellä menestyksellä kaupallisuutta ei ole saavutettu ja sähköntuotanto näissä piloteissa ei ole ylittänyt ~XNUMX MWe.

Yhdysvalloissa resurssi on kuitenkin merkittävä. Yhdysvaltojen länsiosassa arviot ovat 519 GWe poraussyvyyksillä alle 15,000 20,000–XNUMX XNUMX jalkaa. Nykyaikainen poraustekniikka, joka on mukautettu öljyteollisuudesta, tekee tästä porauksesta mahdollista. Yhdessä tähän kehitykseen, joka mahdollistaa vaakasuuntaisten kaivojen poraamisen ja useiden hydraulisten rakojen luomisen näissä kaivoissa (kuvittele, että jokainen rako tarjoaa merkittävän pinta-alan lämmönvaihdolle), ja tehostetut geotermiset järjestelmät ovat mahdollisia.

Ratkaisujärjestelmän luominen hydraulisella murtolla on avaintekijä. Tämä ei ole uutta. Sitä kokeiltiin ensimmäisen kerran EGS:ää varten Fenton Hillissä Jemez Calderassa New Mexicossa Los Alamos National Laboratoriesin varhaisen kehityksen aikana. On huomionarvoista, että yksi suuri hydraulinen rako pumpattiin joulukuussa 1983 kahden kaivon yhdistämiseksi toisiinsa (ennen kuin nykyaikaista suuntaporausta alettiin helposti soveltaa). Hydraulisessa stimulaatiossa pumpattiin 5.7 miljoonaa gallonaa vettä, johon oli lisätty kitkan vähentäjä, 50 lyöntiä minuutissa (2100 gallonaa minuutissa) noin 12,000 XNUMX psi:n asti. CaCO:n hienojakoisia hiukkasia₃ lisättiin nestehäviön hallintaan (murtumajärjestelmän yksinkertaistamiseksi).

Fenton Hillistä, muista paikoista ympäri maailmaa saadut opetukset ja muiden louhintateollisuuden teknologiat (kalteva ja vaakasuora poraus, monivaiheinen murtaminen) rohkaisivat Yhdysvaltain energiaministeriötä (DOE) käynnistämään uudistetun tutkimusohjelman, joka tunnetaan nimellä FORGE (Frontier Observatory). for Research in Geothermal Energy) rakentaakseen kenttälaboratorion testatakseen uusia teknologioita, jotka mahdollistaisivat EGS:n kaupallistamisen.

Q3. Kerro meille FORGE-projektin paikasta Utahissa ja miksi se valittiin.

DOE sponsoroi kilpailua viiden näkyvän EGS-paikan välillä Yhdysvalloissa. Tämä "valittiin alas" sivustoille Fallonissa, Nevadassa ja Milfordissa, Utahissa. Vuonna 2019 Milfordin paikka valittiin lopulta FORGE-kenttälaboratorion sijaintipaikaksi (katso kuva viestin yläosassa).

Valintakriteereinä olivat 1) säiliön lämpötilat välillä 175-225°C (riittävän kuuma konseptien todistamiseksi, mutta ei niin kuuma, että teknologian kehitys estyisi), 2) yli 1.5 km:n syvyyksissä (riittävän syvä, että poraustekniikan kehittäminen on mahdollista) , 3) matalan läpäisevyyden kivi (graniitti FORGE-työmaalla), 4) alhainen seismisyyden aiheuttamisen riski toiminnan aikana, 5) vähäinen ympäristöriski ja 6) ei yhteyttä tavanomaiseen geotermiseen järjestelmään.

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

Osa 2 jatkaa aihetta käsittelemällä seuraavia kysymyksiä ja vastauksia:

Q4. Mikä on ruiskutus- ja tuotantokaivojen perusrakenne?

Q5. Voisitko tehdä yhteenvedon injektiokaivon kolmesta frac-hoidosta ja niiden tuloksista?

Q6. Mikä on kaupallisen sovelluksen potentiaali?