Ένα βελτιωμένο γεωθερμικό σύστημα χρησιμοποιεί τεχνολογία πετρελαίου και φυσικού αερίου για την εξόρυξη ενέργειας με χαμηλές εκπομπές άνθρακα. Μέρος 1ο.

Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) έχει χρηματοδοτήσει ένα έργο που ονομάζεται FORGE όπου θα διατρηθούν και θα τεμαχιστούν θερμοί βράχοι από γρανίτη χρησιμοποιώντας την καλύτερη τεχνολογία πετρελαίου και φυσικού αερίου. Ένας γενικός στόχος είναι να δούμε εάν το νερό που αντλείται από ένα πηγάδι μπορεί να κυκλοφορήσει μέσω του γρανίτη και να θερμανθεί πριν αντληθεί ένα δεύτερο πηγάδι για να κινηθούν οι τουρμπίνες που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Ο John McLennan, Τμήμα Χημικής Μηχανικής, Πανεπιστήμιο της Γιούτα, είναι ο συν-κύριος ερευνητής για αυτό το έργο DOE. Μια παρουσίαση διαδικτυακού σεμιναρίου για αυτό το θέμα χρηματοδοτήθηκε από την NSI στις 6 Απριλίου 2022: Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE): An Update and Lookahead

Ακολουθούν ερωτήσεις που τέθηκαν στον John McLennan και οι απαντήσεις του.

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

Q1. Μπορείτε να δώσετε μια σύντομη ιστορία της γεωθερμικής ενέργειας;

Από τις πρώτες εργασίες στο Larderello στην Ιταλία, στις αρχές του 1900, η ​​γεωθερμική ενέργεια (για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και άμεση χρήση) επεκτάθηκε σε Δυνατότητα ηλεκτροπαραγωγής 15.6 GWe (GigaWatts ηλεκτρικής ενέργειας) το 2021. Η χρήση είναι παγκόσμια – περισσότερες από 25 χώρες παγκοσμίως. Ωστόσο, η κατανομή εξακολουθεί να είναι ένα μικρό μέρος του παγκόσμιου ενεργειακού χαρτοφυλακίου. Εξετάζοντας αυτήν την παγκόσμια κατανομή, συμβατικά, η γεωθερμική ενέργεια περιορίζεται στην έκφραση της αυξημένης θερμοκρασίας κοντά στην επιφάνεια, όπως θα συνέβαινε κοντά στα όρια των πλακών, στα ηφαίστεια κ.λπ.

Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη δυναμικότητα γεωθερμικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ακολουθούμενες από Ινδονησία, Φιλιππίνες, Τουρκία, Νέα Ζηλανδία, Μεξικό, Ιταλία, Κένυα, Ισλανδία, Ιαπωνία. Από αυτές τις εργασίες στις Ηνωμένες Πολιτείες, τα πηγάδια που παράγουν γεωθερμική ενέργεια μπορεί να είναι κατά μέσο όρο 4 έως 6 MWe. Κατά κανόνα, στους 392°F (200°C) και ροή με 9 bpm (378 gpm), της τάξης του 1 MWe μπορεί να παράγει, ίσως να εξυπηρετεί 759 έως 1000 σπίτια στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Τα γεωθερμικά εργοστάσια ποικίλλουν σε μέγεθος, από λίγα πηγάδια (μερικά που παράγουν έως και 50 MWe) έως πολλά πηγάδια. «Το Geysers,…, είναι το μεγαλύτερο συγκρότημα γεωθερμικών σταθμών παραγωγής ενέργειας στον κόσμο. Η Calpine, ο μεγαλύτερος παραγωγός γεωθερμικής ενέργειας στις ΗΠΑ, κατέχει και λειτουργεί 13 σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής στο The Geysers με καθαρή ικανότητα παραγωγής περίπου 725 μεγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας – αρκετή για να τροφοδοτήσει 725,000 σπίτια ή μια πόλη στο μέγεθος του Σαν Φρανσίσκο.

Ε2. Τι είναι τα ενισχυμένα γεωθερμικά συστήματα και πού εφαρμόζεται το fracking;

Πριν από περίπου πενήντα χρόνια, η ιδέα των Ενισχυμένων Γεωθερμικών Συστημάτων (EGS) οραματίστηκε επιστήμονες και μηχανικούς στα Επιστημονικά Εργαστήρια του Λος Άλαμος (τώρα LANL). Τότε, η ιδέα ήταν γνωστή ως hot dry rock (HDR). Μια μεθοδολογία είναι η διάνοιξη ενός φρεατίου έγχυσης και ενός φρεατίου παραγωγής και η δημιουργία των ρωγμών που τα συνδέουν. Αυτά τα σπασίματα χρησιμεύουν ως εναλλάκτες θερμότητας - όπως το καλοριφέρ σε ένα αυτοκίνητο.

Το νερό χρησιμοποιείται ως ρευστό εργασίας σε αυτό το κλειστό σύστημα (το νερό δεν χάνεται). Το κρύο υγρό εγχέεται κάτω από ένα φρεάτιο. Περνάει μέσα από τα κατάγματα και έτσι αποκτά θερμότητα από τον καυτό βράχο. Αυτό το καυτό υγρό παράγεται στην επιφάνεια μέσω του δεύτερου πηγαδιού στο διπλό. Στην επιφάνεια, το θερμαινόμενο ρευστό μπορεί να εκτοξευθεί στον ατμό ή να περάσει μέσα από μια μονάδα οργανικού κύκλου Rankine για να κινήσει έναν στρόβιλο και στη συνέχεια μια γεννήτρια. Το νερό, με τη θερμότητα που αφαιρείται, ανακυκλώνεται.

Αν και είναι μια καλή ιδέα, η επιτυχία έχει παρεμποδιστεί εδώ και πενήντα χρόνια από τη σύλληψή της. Ενώ έχουν υπάρξει πολλά έργα σε όλο τον κόσμο, με επιστημονική επιτυχία, δεν έχει επιτευχθεί εμπορικότητα και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε αυτά τα πιλοτικά δεν έχει ξεπεράσει το ~1 MWe.

Ωστόσο, στις ΗΠΑ, ο πόρος είναι σημαντικός. Στις δυτικές Ηνωμένες Πολιτείες, οι εκτιμήσεις είναι 519 GWe σε βάθη γεώτρησης μικρότερα από 15,000 έως 20,000 πόδια. Η σύγχρονη τεχνολογία γεώτρησης, προσαρμοσμένη στη βιομηχανία πετρελαίου καθιστά αυτή τη γεώτρηση εφικτή. Σε συνδυασμό με τις εξελίξεις που επιτρέπουν τη διάνοιξη οριζόντιων φρεατίων και τη δημιουργία πολλαπλών υδραυλικών ρωγμών κατά μήκος αυτών των φρεατίων (φανταστείτε ότι κάθε θραύση παρέχει σημαντική επιφάνεια για ανταλλαγή θερμότητας) και τα Βελτιωμένα Γεωθερμικά Συστήματα είναι εφικτά.

Η δημιουργία του συστήματος θραύσης με υδραυλική θραύση είναι βασικό στοιχείο. Αυτό δεν είναι καινούργιο. Δοκιμάστηκε για πρώτη φορά για EGS στην τοποθεσία Fenton Hill στην Καλντέρα Jemez στο Νέο Μεξικό, κατά τις πρώτες εξελίξεις από τα Εθνικά Εργαστήρια του Λος Άλαμος. Αξίζει να σημειωθεί ότι είναι ένα μεγάλο υδραυλικό κάταγμα που αντλήθηκε τον Δεκέμβριο του 1983 για να προσπαθήσει να διασυνδέσει δύο φρεάτια (πριν εφαρμοστεί εύκολα η σύγχρονη κατευθυντική γεώτρηση). Σε αυτή την υδραυλική διέγερση, 5.7 εκατομμύρια γαλόνια νερού με πρόσθετο μειωτήρα τριβής αντλήθηκαν με ταχύτητα έως και 50 bpm (2100 γαλόνια ανά λεπτό) σε πιέσεις κάτω από την οπή έως και περίπου 12,000 psi. Λεπτά σωματίδια CaCO₃ προστέθηκαν για τον έλεγχο της απώλειας υγρών (για την απλοποίηση του συστήματος κατάγματος).

Τα διδάγματα που αντλήθηκαν από το Fenton Hill, άλλες τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο και τεχνολογίες από άλλες βιομηχανίες εξόρυξης (κλιμένες και οριζόντιες γεωτρήσεις, ρωγμές πολλαπλών σταδίων) ενθάρρυναν το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών (DOE) να ξεκινήσει ένα ανανεωμένο ερευνητικό πρόγραμμα γνωστό ως FORGE (Frontier Observatory). για την Έρευνα στη Γεωθερμική Ενέργεια) για την κατασκευή ενός εργαστηρίου πεδίου για τη δοκιμή νέων τεχνολογιών που θα επέτρεπαν την εμπορευματοποίηση του EGS.

Ε3. Μιλήστε μας για την τοποθεσία του έργου FORGE στη Γιούτα και γιατί επιλέχθηκε.

Το DOE χρηματοδότησε έναν διαγωνισμό μεταξύ πέντε σημαντικών τοποθεσιών EGS στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτό στη συνέχεια «επιλέχθηκε κάτω» σε τοποθεσίες στο Fallon, στη Νεβάδα και στο Milford, στη Γιούτα. Το 2019, η τοποθεσία Milford επιλέχθηκε τελικά ως η τοποθεσία του εργαστηρίου πεδίου FORGE (δείτε την εικόνα στην κορυφή της ανάρτησης).

Τα κριτήρια επιλογής περιελάμβαναν 1) θερμοκρασίες δεξαμενής μεταξύ 175 και 225°C (αρκετά ζεστές για να αποδείξουν ιδέες αλλά όχι τόσο ζεστές ώστε να παρεμποδίζεται η ανάπτυξη τεχνολογίας), 2) σε βάθη μεγαλύτερα από 1.5 km (αρκετά βαθιά ώστε να είναι εφικτή η ανάπτυξη τεχνολογίας γεώτρησης) , 3) πέτρωμα χαμηλής διαπερατότητας (γρανίτης στη θέση FORGE), 4) χαμηλός κίνδυνος πρόκλησης σεισμικότητας κατά τις εργασίες, 5) χαμηλοί περιβαλλοντικοί κίνδυνοι και 6) καμία σύνδεση με ένα συμβατικό γεωθερμικό σύστημα.

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

Το Μέρος 2 θα συνεχίσει το θέμα εξετάζοντας τις ακόλουθες ερωτήσεις και απαντήσεις:

Q4. Ποιος είναι ο βασικός σχεδιασμός των φρεατίων έγχυσης και παραγωγής;

Q5. Θα μπορούσατε να συνοψίσετε τις τρεις θεραπείες frac στην έγχυση και τα αποτελέσματά τους;

Ε6. Ποιες είναι οι δυνατότητες για εμπορική εφαρμογή;