Et forbedret geotermisk system bruger olie- og gasteknologi til at udvinde lavkulstofenergi. Del 1.

Det amerikanske energiministerium (DOE) har finansieret et projekt kaldet FORGE, hvor varm granitsten vil blive boret og fracket ved hjælp af den bedste olie- og gasteknologi. Et overordnet mål er at se, om vand, der pumpes ned i en brønd, kan cirkuleres gennem granitten og opvarmes, før det pumpes en anden brønd op for at drive turbiner, der genererer elektricitet.

John McLennan, Department of Chemical Engineering, University of Utah, er co-principal investigator for dette DOE-projekt. En webinarpræsentation om dette emne blev sponsoreret af NSI den 6. april 2022: Frontier-observatoriet for forskning i geotermisk energi (FORGE): En opdatering og et fremsyn

Følgende er spørgsmål stillet til John McLennan og hans svar.

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

Q1. Kan du give en kort historie om geotermisk energi?

Fra tidligt arbejde på Larderello i Italien, i begyndelsen af ​​1900-tallet, er geotermisk energi (til elproduktion og direkte brug) udvidet til en installeret elproduktionskapacitet på 15.6 GWe (GigaWatt elektricitet) i 2021. Udnyttelsen er global – mere end 25 lande verden over. Allokering er dog stadig en lille del af verdens energiportefølje. Ser man på denne globale fordeling, er geotermisk energi konventionelt begrænset til overfladenært udtryk af forhøjet temperatur, som det ville forekomme nær pladegrænser, vulkaner osv.

USA har den største installerede geotermiske elproduktionskapacitet efterfulgt af Indonesien, Filippinerne, Tyrkiet, New Zealand, Mexico, Italien, Kenya, Island, Japan. Af disse operationer i USA kan brønde, der producerer geotermisk energi, i gennemsnit være 4 til 6 MWe. Som en tommelfingerregel kan ved 392°F (200°C) og flydende ved 9 bpm (378 gpm) genereres i størrelsesordenen 1 MWe, måske servicere 759 til 1000 hjem i USA.

Geotermiske kraftværker varierer i størrelse, fra få brønde (nogle producerer op til 50 MWe) til mange brønde. "Gejserne, …, er det største kompleks af geotermiske kraftværker i verden. Calpine, den største geotermiske energiproducent i USA, ejer og driver 13 kraftværker ved The Geysers med en nettoproduktionskapacitet på omkring 725 megawatt elektricitet - nok til at drive 725,000 hjem eller en by på størrelse med San Francisco."

Q2. Hvad er forbedrede geotermiske systemer, og hvor anvendes fracking?

For omkring halvtreds år siden blev begrebet Enhanced Geothermal Systems (EGS) forestillet sig af videnskabsmænd og ingeniører ved Los Alamos Scientific Laboratories (nu LANL). Dengang var konceptet kendt som hot dry rock (HDR). En metode er at bore en injektionsbrønd og en produktionsbrønd og skabe de sprækker, der forbinder dem. Disse brud fungerer som varmevekslere - ligesom radiatoren i en bil.

Vand bruges som arbejdsvæske i dette lukkede system (vand går ikke tabt). Kold væske sprøjtes ned i en brønd. Den passerer gennem sprækkerne og får derved varme fra den varme klippe. Denne varme væske produceres til overfladen gennem den anden brønd i dubletten. Ved overfladen kan den opvarmede væske flashes til damp eller køres gennem et organisk Rankine cyklusanlæg for at drive en turbine og efterfølgende en generator. Vandet, med varme udtaget, recirkuleres.

Selvom det er en god idé, er succes blevet forhindret i de halvtreds år siden dens undfangelse. Selvom der har været adskillige projekter rundt om i verden, med videnskabelig succes, er kommercialitet ikke blevet opnået, og elektrisk produktion ved disse piloter har ikke oversteget ~1 MWe.

I USA er ressourcen imidlertid betydelig. I det vestlige USA er estimater 519 GWe ved boredybder på mindre end 15,000 til 20,000 fod. Moderne boreteknologi, tilpasset fra olieindustrien, gør denne boring mulig. Kombiner det med udviklinger, der tillader boring af horisontale brønde og skabe en mangfoldighed af hydrauliske brud langs disse brønde (forestil dig, at hver brud giver et betydeligt overfladeareal til varmeudveksling), og forbedrede geotermiske systemer er mulige.

At skabe brudsystemet ved hydraulisk frakturering er et nøgleelement. Dette er ikke nyt. Det blev først prøvet for EGS på Fenton Hill-stedet i Jemez-calderaen i New Mexico under tidlige udviklinger af Los Alamos National Laboratories. Det skal bemærkes, at en stor hydraulisk fraktur blev pumpet i december 1983 for at forsøge at forbinde to brønde (før moderne retningsbestemt boring let blev anvendt). I den hydrauliske stimulering blev 5.7 millioner gallons vand med tilføjet friktionsreduktion pumpet med op til 50 bpm (2100 gallons pr. minut) ved borehulstryk op til omkring 12,000 psi. Fine partikler af CaCO₃ blev tilføjet til kontrol af væsketab (for at forenkle fraktursystemet).

Erfaringerne fra Fenton Hill, andre steder rundt om i verden og teknologier fra andre udvindingsindustrier (skrå- og vandret boring, flertrinsfrakturering) tilskyndede det amerikanske energiministerium (DOE) til at igangsætte et fornyet forskningsprogram kendt som FORGE (Frontier Observatory) for forskning i geotermisk energi) til at bygge et feltlaboratorium til at teste nye teknologier, der vil muliggøre kommercialisering af EGS.

Q3. Fortæl os om stedet for FORGE-projektet i Utah, og hvorfor det blev valgt.

DOE sponsorerede en konkurrence blandt fem fremtrædende EGS-lokationer i USA. Dette blev efterfølgende "nedvalgt" til steder i Fallon, Nevada og Milford, Utah. I 2019 blev Milford-stedet i sidste ende valgt som placeringen af ​​FORGE-feltlaboratoriet (se billedet øverst i indlægget).

Kriterierne for udvælgelse omfattede 1) reservoirtemperaturer mellem 175 og 225°C (varmt nok til at bevise koncepter, men ikke så varmt, at teknologiudvikling hæmmes), 2) på dybder større end 1.5 km (dybt nok til, at udvikling af boreteknologi er mulig) , 3) sten med lav permeabilitet (granit på FORGE-stedet), 4) lav risiko for at inducere seismicitet under operationer, 5) lave miljørisici og 6) ingen forbindelse til et konventionelt geotermisk system.

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

Del 2 vil fortsætte emnet ved at behandle følgende spørgsmål og svar:

Q4. Hvad er det grundlæggende design af injektions- og produktionsbrøndene?

Q5. Kan du opsummere de tre frac-behandlinger i injektionsbrønden og deres resultater?

Q6. Hvad er potentialet for kommerciel anvendelse?