Vylepšený geotermální systém využívá technologii ropy a zemního plynu k těžbě nízkouhlíkové energie. Část 1.

Americké ministerstvo energetiky (DOE) financovalo projekt nazvaný FORGE, kde se bude vrtat a frakovat horká žulová skála za použití nejlepší technologie ropy a zemního plynu. Celkovým cílem je zjistit, zda voda čerpaná z jedné studny může cirkulovat skrz žulu a ohřívat ji před přečerpáním druhé studny pro pohon turbín, které vyrábějí elektřinu.

John McLennan, Katedra chemického inženýrství, University of Utah, je spoluřešitelem tohoto projektu DOE. Webinářovou prezentaci na toto téma sponzorovala NSI 6. dubna 2022: Fobservatoř rontier pro výzkum geotermální energie (FORGE): Aktualizace a výhled

Následují otázky položené Johnu McLennanovi a jeho odpovědi.

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

Q1. Můžete poskytnout stručnou historii geotermální energie?

Od raných prací v Larderellu v Itálii na počátku 1900. století se geotermální energie (pro výrobu elektřiny a přímé použití) rozšířila na instalované elektrická výrobní kapacita 15.6 GWe (GigaWatts elektřiny) v roce 2021. Využití je globální – ve více než 25 zemích světa. Alokace však stále tvoří malou část světového energetického portfolia. Podíváme-li se na tuto globální distribuci, konvenčně je geotermální energie omezena na blízkopovrchové vyjádření zvýšené teploty, k níž by mohlo dojít v blízkosti hranic desek, sopek atd.

Největší instalovanou kapacitu pro výrobu geotermální elektřiny mají Spojené státy americké, následují Indonésie, Filipíny, Turecko, Nový Zéland, Mexiko, Itálie, Keňa, Island, Japonsko. Z těchto operací ve Spojených státech mohou vrty produkující geotermální energii v průměru 4 až 6 MWe. Obecně platí, že při 392 °F (200 °C) a průtoku rychlostí 9 bpm (378 gpm), řádově 1 MWe může generovat, možná obsluhovat 759 až 1000 domácností ve Spojených státech.

Geotermální elektrárny se liší velikostí, od několika vrtů (některé produkují až 50 MWe) po mnoho vrtů. „Gejzíry… jsou největším komplexem geotermálních elektráren na světě. Calpine, největší výrobce geotermální energie v USA, vlastní a provozuje 13 elektráren v The Geysers s čistou výrobní kapacitou asi 725 megawattů elektřiny – dostačující k napájení 725,000 XNUMX domácností nebo města velikosti San Francisca.

Q2. Co jsou vylepšené geotermální systémy a kde se používá frakování?

Asi před padesáti lety si vědci a inženýři z Los Alamos Scientific Laboratories (nyní LANL) představili koncept Enhanced Geotermal Systems (EGS). Tehdy byl tento koncept známý jako horký suchý rock (HDR). Jednou z metod je vyvrtání injektážního a těžebního vrtu a vytvoření zlomů, které je propojují. Tyto zlomy slouží jako tepelné výměníky – podobně jako chladič v automobilu.

V tomto uzavřeném systému se jako pracovní tekutina používá voda (voda se neztrácí). Do jedné jamky se vstřikuje studená tekutina. Prochází puklinami a získává přitom teplo z horké horniny. Tato horká tekutina se dostává na povrch druhou šachtou v dubletu. Na povrchu může být ohřátá tekutina přeměněna na páru nebo procházet organickým Rankinovým cyklem pro pohon turbíny a následně generátoru. Voda s odebraným teplem recirkuluje.

I když je to dobrý nápad, úspěch byl zmařen na padesát let od jeho koncepce. Přestože po celém světě probíhalo několik projektů, s vědeckým úspěchem, komerčnosti nebylo dosaženo a výroba elektřiny v těchto pilotních projektech nepřesáhla ~1 MWe.

V USA je však tento zdroj významný. V západních Spojených státech se odhaduje 519 GWe při hloubkách vrtů menší než 15,000 20,000 až XNUMX XNUMX stop. Moderní technologie vrtání přizpůsobená ropnému průmyslu umožňuje toto vrtání. Spojte to s vývojem, který umožňuje vrtání horizontálních vrtů a vytváření mnoha hydraulických zlomů podél těchto vrtů (představte si, že každý zlom poskytuje významnou povrchovou plochu pro výměnu tepla) a vylepšené geotermální systémy jsou proveditelné.

Vytvoření lomového systému hydraulickým štěpením je klíčovým prvkem. To není nic nového. Poprvé byl testován pro EGS v lokalitě Fenton Hill v Jemez Caldera v Novém Mexiku, během raného vývoje v Los Alamos National Laboratories. Za zmínku stojí jedna velká hydraulická trhlina čerpaná v prosinci 1983, aby se pokusila propojit dva vrty (předtím, než bylo snadno použito moderní směrové vrtání). Při této hydraulické stimulaci bylo čerpáno 5.7 milionů galonů vody s přidaným redukčním prostředkem tření rychlostí až 50 bpm (2100 galonů za minutu) při tlacích ve vrtu až asi 12,000 XNUMX psi. Jemné částice CaCO₃ byly přidány pro kontrolu ztráty tekutin (pro zjednodušení systému zlomenin).

Ponaučení z Fenton Hill, dalších míst po celém světě a technologie z jiných těžebních odvětví (nakloněné a horizontální vrtání, vícestupňové štěpení) povzbudily Ministerstvo energetiky Spojených států (DOE) k zahájení obnoveného výzkumného programu známého jako FORGE (Frontier Observatory). pro výzkum geotermální energie) vybudovat polní laboratoř pro testování nových technologií, které by umožnily komercializaci EGS.

Q3. Řekněte nám o místě projektu FORGE v Utahu a proč byl vybrán.

DOE sponzorovala soutěž mezi pěti prominentními pobočkami EGS ve Spojených státech. To bylo následně „vybráno“ na místa ve Fallonu v Nevadě a Milfordu v Utahu. V roce 2019 bylo místo v Milfordu nakonec vybráno jako umístění polní laboratoře FORGE (viz obrázek v horní části příspěvku).

Kritéria pro výběr zahrnovala 1) teploty v nádrži mezi 175 a 225 °C (dostatečně horké na to, aby se osvědčily koncepty, ale ne tak horké, aby to bránilo vývoji technologie), 2) v hloubkách větších než 1.5 km (dostatečně hluboké, aby byl vývoj technologie vrtů proveditelný) , 3) hornina s nízkou propustností (žula v lokalitě FORGE), 4) nízké riziko vyvolání seizmicity během provozu, 5) nízká environmentální rizika a 6) žádné napojení na konvenční geotermální systém.

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

Část 2 bude pokračovat v tématu tím, že se bude zabývat následujícími otázkami a odpověďmi:

Q4. Jaká je základní konstrukce vstřikovacích a těžebních vrtů?

Q5. Mohl byste dobře shrnout tři ošetření frac v injekci a jejich výsledky?

Q6. Jaký je potenciál pro komerční využití?