Täiustatud geotermiline süsteem kasutab vähese süsinikdioksiidiheitega energia kaevandamiseks nafta- ja gaasitehnoloogiat. 1. osa.

USA energeetikaministeerium (DOE) on rahastanud projekti nimega FORGE, mille käigus puuritakse ja purustatakse kuuma graniitkivi, kasutades parimat nafta- ja gaasitehnoloogiat. Üldine eesmärk on näha, kas ühest kaevust alla pumbatud vett saab läbi graniidi tsirkuleerida ja soojendada enne teise kaevu ülespumpamist, et juhtida elektrit tootvaid turbiine.

John McLennan, Utah' ülikooli keemiatehnika osakond, on selle DOE projekti kaasuurija. Selleteemalist veebiseminari ettekannet sponsoreeris NSI 6. aprillil 2022: Frontier geotermilise energia uurimise vaatluskeskus (FORGE): värskendus ja ettevaade

Järgnevalt on toodud John McLennanile esitatud küsimused ja tema vastused.

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

Q1. Kas saate anda lühikese geotermilise energia ajaloo?

Alates varasest tööst Itaalias Larderellos, 1900. aastate alguses, on geotermiline energia (elektri tootmiseks ja otseseks kasutamiseks) laienenud paigaldatud energiani. elektritootmisvõimsus 15.6 GWe (Gigavatti elektrit) 2021. aastal. Kasutamine on ülemaailmne – rohkem kui 25 riigis üle maailma. Siiski moodustab jaotamine endiselt väikese osa maailma energiaportfellist. Seda globaalset jaotust vaadates on geotermiline energia tavapäraselt piiratud kõrgendatud temperatuuri maapinnalähedase väljendusega, nagu see juhtuks plaatide piiride, vulkaanide jne läheduses.

Suurim installeeritud geotermilise elektritootmisvõimsus on Ameerika Ühendriikidel, millele järgnevad Indoneesia, Filipiinid, Türgi, Uus-Meremaa, Mehhiko, Itaalia, Keenia, Island ja Jaapan. Nendest operatsioonidest Ameerika Ühendriikides võivad geotermilist energiat tootvad kaevud keskmiselt 4–6 MWe. Rusikareegel on 392 °C (200 °F) ja voolukiirus 9 lööki minutis (378 gpm) suurusjärgus 1 MWe, võib-olla teenindab Ameerika Ühendriikides 759–1000 kodu.

Geotermilised elektrijaamad on erineva suurusega, alates mõnest kaevust (mõned toodavad kuni 50 MWe) kuni paljude kaevudeni. „Geisrid … on suurim geotermiliste elektrijaamade kompleks maailmas. USA suurim geotermilise energia tootja Calpine omab ja haldab Geysersis 13 elektrijaama, mille netovõimsus on umbes 725 megavatti elektrit – sellest piisab 725,000 XNUMX kodu või San Francisco suuruse linna toiteks.

Q2. Mis on täiustatud geotermilised süsteemid ja kus kasutatakse frakkimist?

Umbes viiskümmend aastat tagasi nägid Los Alamose teaduslaborite (nüüd LANL) teadlased ja insenerid ette täiustatud geotermiliste süsteemide (EGS) kontseptsiooni. Sel ajal tunti seda kontseptsiooni kui kuuma kuiva kivi (HDR). Üks metoodika on süstekaevu ja tootmiskaevu puurimine ning neid ühendavate murdude tekitamine. Need murrud toimivad soojusvahetitena – sarnaselt auto radiaatoriga.

Selles suletud süsteemis kasutatakse töövedelikuna vett (vesi ei lähe kaduma). Külm vedelik süstitakse ühte süvendisse. See läbib murde ja omandab seda tehes kuumalt kivilt soojust. See kuum vedelik toodetakse pinnale läbi dubleti teise süvendi. Pinnal saab kuumutatud vedeliku auruks lasta või juhtida läbi orgaanilise Rankine'i tsükliga tehase, et juhtida turbiini ja seejärel generaatorit. Vesi koos väljavõetud soojusega tsirkuleeritakse.

Kuigi see on hea idee, on edu olnud viiskümmend aastat selle loomisest alates. Kuigi üle maailma on olnud mitmeid projekte, pole teaduslikku edu saavutatud ja nendel katsetel ei ole elektritootmine ületanud ~1 MWe.

USA-s on see ressurss aga märkimisväärne. USA lääneosas on hinnanguliselt 519 GWe puurimissügavusel alla 15,000 20,000–XNUMX XNUMX jala. Kaasaegne naftatööstusest kohandatud puurimistehnoloogia muudab selle puurimise teostatavaks. Koos arendustega, mis võimaldavad puurida horisontaalseid kaeve ja tekitada nendes kaevudes palju hüdraulilisi murde (kujutage ette, et iga murd annab märkimisväärse pinna soojusvahetuseks) ja täiustatud geotermilised süsteemid on teostatavad.

Murdesüsteemi loomine hüdraulilise purustamise abil on võtmeelement. See ei ole uus. Esmakordselt prooviti seda EGS-i jaoks Fenton Hilli kohas Jemezi kalderas New Mexico osariigis Los Alamose riikliku labori varajaste arendustööde käigus. Tähelepanuväärne on see, et 1983. aasta detsembris pumbati üks suur hüdrauliline murru, et üritada ühendada kaks kaevu (enne kaasaegse suundpuurimise hõlpsat rakendamist). Selle hüdraulilise stimulatsiooni käigus pumbati kuni 5.7 miljonit gallonit vett koos hõõrdumise reduktoriga kiirusel kuni 50 lööki minutis (2100 gallonit minutis) kuni ligikaudu 12,000 XNUMX psi survel. CaCO peenosakesed₃ lisati vedelikukao kontrollimiseks (murdmissüsteemi lihtsustamiseks).

Fenton Hillist, teistest kohtadest üle maailma saadud õppetunnid ja muude kaevandustööstuse tehnoloogiad (kald- ja horisontaalpuurimine, mitmeastmeline purustamine) julgustasid Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi (DOE) algatama uuendatud uurimisprogrammi, mida tuntakse nime all FORGE (Frontier Observatory). geotermilise energia uurimise jaoks), et ehitada välilabor, et katsetada uusi tehnoloogiaid, mis võimaldaksid EGS-i kommertsialiseerida.

Q3. Rääkige meile projekti FORGE asukohast Utahis ja miks see välja valiti.

DOE sponsoreeris võistlust viie silmapaistva EGS-i asukoha vahel Ameerika Ühendriikides. Seejärel valiti see alla Nevada osariigis Fallonis ja Utahis Milfordis asuvatele saitidele. 2019. aastal valiti Milfordi koht lõpuks FORGE välilabori asukohaks (vt pilti postituse ülaosas).

Valikukriteeriumid hõlmasid 1) reservuaari temperatuuri vahemikus 175–225 °C (piisavalt kuum kontseptsioonide tõestamiseks, kuid mitte nii kuum, et tehnoloogia areng oleks takistatud), 2) sügavamal kui 1.5 km (piisavalt sügav, et puurimistehnoloogia arendamine on teostatav) , 3) madala läbilaskvusega kivim (graniit FORGE-i kohas), 4) madal seismilisuse tekitamise oht töö ajal, 5) madalad keskkonnariskid ja 6) puudub ühendus tavapärase geotermilise süsteemiga.

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

2. osa jätkab teemat järgmiste küsimuste ja vastustega:

Q4. Mis on sissepritse- ja tootmiskaevude põhikonstruktsioon?

K5. Kas saaksite kokkuvõtlikult teha süstimiskaevus olevad kolm murderavi ja nende tulemused?

K6. Milline on kaubandusliku rakenduse potentsiaal?