Egy továbbfejlesztett geotermikus rendszer olaj- és gáztechnológiát használ az alacsony szén-dioxid-kibocsátású energia bányászatára. 1. rész.

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) finanszírozta a FORGE nevű projektet, amelyben a forró gránitkőzetet a legjobb olaj- és gáztechnológia segítségével fúrják és repesztik. Az általános cél annak megállapítása, hogy az egyik kútba szivattyúzott víz keringethető-e a grániton keresztül, és felmelegíthető-e, mielőtt egy második kútba felszivattyúznák az elektromos áramot termelő turbinákat.

John McLennan, a Utah-i Egyetem Vegyészmérnöki Tanszéke a DOE projekt társ-vezető kutatója. Az NSI 6. április 2022-án egy webináriumot tartott erről a témáról: Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE): Frissítés és előretekintés

Az alábbiakban John McLennannek feltett kérdéseket és válaszait olvashatja.

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

Q1. El tudná mondani a geotermikus energia rövid történetét?

Az olaszországi Larderelloban végzett korai munkáktól kezdve, az 1900-as évek elején a geotermikus energia (villamosenergia-termelésre és közvetlen felhasználásra) kiterjedt egy telepítettre. 15.6 GWe villamosenergia-termelő kapacitás (GigaWatt villamos energia) 2021-ben. A felhasználás globális – világszerte több mint 25 országban. Az allokáció azonban még mindig kis részét képezi a világ energiaportfóliójának. Ha ezt a globális eloszlást nézzük, a geotermikus energia hagyományosan a megemelkedett hőmérséklet felszínközeli kifejezésére van korlátozva, ahogyan ez a lemezhatárok, vulkánok stb.

Az Egyesült Államok rendelkezik a legnagyobb telepített geotermikus villamosenergia-termelő kapacitással, ezt követi Indonézia, Fülöp-szigetek, Törökország, Új-Zéland, Mexikó, Olaszország, Kenya, Izland és Japán. Ezen műveletek közül az Egyesült Államokban a geotermikus energiát termelő kutak átlagos teljesítménye 4-6 MWe. Ökölszabályként 392 °C-on (200 °F) és 9 bpm-en (378 gpm) áramló 1 MWe nagyságrendileg 759-1000 otthont lehet termelni, kiszolgálni az Egyesült Államokban.

A geotermikus erőművek mérete változó, néhány kúttól (néhány akár 50 MWe-t is termel) a sok kútig. „A Gejzírek… a világ legnagyobb geotermikus erőművek komplexuma. A Calpine, az Egyesült Államok legnagyobb geotermikus energiatermelője, 13 erőművet birtokol és üzemeltet a The Geysersben, amelyek nettó termelési kapacitása körülbelül 725 megawatt, ami 725,000 XNUMX otthon vagy egy San Francisco méretű város ellátására elegendő.

Q2. Mik azok a továbbfejlesztett geotermikus rendszerek, és hol alkalmazzák a repesztést?

Körülbelül ötven évvel ezelőtt az Enhanced Geothermal Systems (EGS) koncepcióját a Los Alamos Scientific Laboratories (ma LANL) tudósai és mérnökei képzelték el. Akkoriban a koncepciót hot dry rock (HDR) néven ismerték. Az egyik módszer egy injektáló kút és egy termelő kút fúrása, és az őket összekötő repedések létrehozása. Ezek a törések hőcserélőként szolgálnak – hasonlóan az autó radiátorához.

Ebben a zárt rendszerben vizet használnak munkaközegként (a víz nem vész el). Hideg folyadékot fecskendeznek be egy mélyedésbe. Áthalad a repedéseken, és ezáltal hőt vesz fel a forró kőzetből. Ez a forró folyadék a dublett második lyukon keresztül kerül a felszínre. A felszínen a felmelegített folyadék gőzzé varázsolható, vagy egy organikus Rankine-ciklusú üzemen átvezethető egy turbina, majd egy generátor meghajtása érdekében. A vizet a kivett hővel visszavezetik.

Noha ez egy jó ötlet, a sikert az elgondolás óta eltelt ötven éven keresztül akadályozza. Noha világszerte számos projektet hajtottak végre, tudományos sikerrel, kereskedelmi célokat nem sikerült elérni, és az elektromos termelés ezeknél a kísérleti projekteknél nem haladta meg a ~1 MWe-t.

Az Egyesült Államokban azonban az erőforrás jelentős. Az Egyesült Államok nyugati részén a becslések szerint 519 GWe 15,000 20,000-XNUMX XNUMX láb fúrási mélységnél. A kőolajiparból adaptált modern fúrási technológia lehetővé teszi ezt a fúrást. Ehhez párosulnak olyan fejlesztések, amelyek lehetővé teszik vízszintes kutak fúrását és számos hidraulikus repedés létrehozását e kutak mentén (képzeld el, hogy mindegyik repedés jelentős felületet biztosít a hőcseréhez), és a továbbfejlesztett geotermikus rendszerek megvalósíthatók.

A repesztési rendszer hidraulikus rétegrepesztéssel történő létrehozása kulcsfontosságú elem. Ez nem újdonság. Először az új-mexikói Jemez-kalderában lévő Fenton Hill-i telephelyen próbálták ki az EGS-t, a Los Alamos National Laboratories korai fejlesztései során. Érdemes megjegyezni, hogy egy nagy hidraulikus repedést szivattyúztak 1983 decemberében, hogy megpróbáljanak összekapcsolni két kutat (mielőtt a modern irányított fúrást könnyen alkalmazták). Ebben a hidraulikus stimulációban 5.7 millió gallon vizet, hozzáadott súrlódáscsökkentővel szivattyúztak 50 ütés/perc (2100 gallon/perc) sebességgel, körülbelül 12,000 XNUMX psi nyomáson. Finom CaCO részecskék₃ a folyadékveszteség szabályozására (a törési rendszer egyszerűsítése érdekében) kerültek hozzáadásra.

A Fenton Hilltől, a világ más helyszíneiről és a más kitermelő iparágak technológiáiból (ferde és vízszintes fúrás, többlépcsős repesztés) levont tanulságok arra ösztönözték az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumát (DOE), hogy kezdeményezzen egy FORGE (Frontier Observatory) néven ismert megújult kutatási programot. for Research in Geothermal Energy), hogy építsenek egy terepi laboratóriumot az EGS kereskedelmi forgalomba hozatalát lehetővé tevő új technológiák tesztelésére.

Q3. Meséljen nekünk a FORGE projekt utahi helyszínéről és arról, hogy miért választották.

A DOE szponzorált egy versenyt az Egyesült Államokban található öt kiemelkedő EGS helyszín között. Ezt később „leválogatták” a nevadai Fallonban és Milfordban, Utahban. 2019-ben végül a milfordi telephelyet választották a FORGE terepi laboratórium helyszínéül (lásd a képet a bejegyzés tetején).

A kiválasztási kritériumok között szerepelt: 1) 175 és 225°C közötti tározóhőmérséklet (elég meleg az elképzelések bizonyításához, de nem olyan meleg, hogy akadályozzák a technológiai fejlődést), 2) 1.5 km-nél nagyobb mélységben (elég mélyen ahhoz, hogy a fúrási technológia fejlesztése megvalósítható legyen) , 3) alacsony áteresztőképességű kőzet (gránit a FORGE telephelyén), 4) alacsony a szeizmikus működés kockázata, 5) alacsony a környezeti kockázat, és 6) nincs kapcsolat a hagyományos geotermikus rendszerrel.

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

A 2. rész a témát a következő kérdések és válaszok megválaszolásával folytatja:

Q4. Mi a besajtoló és termelő kutak alapvető kialakítása?

Q5. Összefoglalnád az injekciós kútban végzett három frac kezelést és azok eredményeit?

Q6. Milyen lehetőségek rejlenek a kereskedelmi alkalmazásban?