Покращена геотермальна система використовує нафту та газову технологію для видобутку низьковуглецевої енергії. Частина 1.

Міністерство енергетики США (DOE) профінансувало проект під назвою FORGE, де розжарені гранітні породи будуть буритися та розбиватися з використанням найкращих нафтогазових технологій. Загальна мета полягає в тому, щоб побачити, чи може вода, закачана в одну свердловину, циркулювати через граніт і нагріватися перед закачуванням другої свердловини для приводу турбін, які виробляють електроенергію.

Джон Макленнан, кафедра хімічної інженерії, Університет Юти, є співголовним дослідником цього проекту Міністерства охорони здоров'я. Презентація вебінару на цю тему була спонсорована NSI 6 квітня 2022 року: Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE): Оновлення та перспективи

Нижче наведено запитання, поставлені Джону Макленнану, та його відповіді.

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

Q1. Чи можете ви надати коротку історію геотермальної енергії?

З початку роботи в Лардерелло в Італії, на початку 1900-х років, геотермальна енергія (для виробництва електроенергії та прямого використання) розширилася до встановленої електрична потужність 15.6 ГВт (Гігават електроенергії) у 2021 році. Використання є глобальним – понад 25 країн світу. Проте розподіл все ще є невеликою частиною світового енергетичного портфеля. Якщо розглядати цей глобальний розподіл, то зазвичай геотермальна енергія обмежена приповерхневим вираженням підвищеної температури, як це відбувалося б поблизу кордонів плит, вулканів тощо.

Сполучені Штати мають найбільшу встановлену потужність для виробництва геотермальної електроенергії, за ними йдуть Індонезія, Філіппіни, Туреччина, Нова Зеландія, Мексика, Італія, Кенія, Ісландія, Японія. З цих операцій у Сполучених Штатах свердловини, що виробляють геотермальну енергію, можуть у середньому від 4 до 6 МВт. Як правило, при температурі 392°F (200°C) і швидкості потоку 9 ударів на хвилину (378 гал/хв) можна генерувати близько 1 МВт, можливо, обслуговувати від 759 до 1000 будинків у Сполучених Штатах.

Геотермальні електростанції відрізняються за розміром: від кількох свердловин (деякі з потужністю до 50 МВт) до багатьох свердловин. «Гейзери, …, є найбільшим комплексом геотермальних електростанцій у світі. Calpine, найбільший виробник геотермальної електроенергії в США, володіє і керує 13 електростанціями в The Geysers з чистою генеруючою потужністю близько 725 мегават електроенергії – достатньо для живлення 725,000 XNUMX будинків або міста розміром з Сан-Франциско».

Q2. Що таке покращені геотермальні системи і де застосовується гідророзрив?

Близько п’ятдесяти років тому вчені та інженери Лос-Аламосських наукових лабораторій (нині LANL) задумали концепцію розширених геотермальних систем (EGS). Тоді ця концепція була відома як гарячий сухий камінь (HDR). Однією з методик є буріння нагнітальної та експлуатаційної свердловини та створення тріщин, що з’єднують їх. Ці розломи служать теплообмінниками – так само, як радіатор в автомобілі.

Як робоча рідина в цій закритій системі використовується вода (вода не втрачається). Холодна рідина закачується в одну свердловину. Він проходить крізь тріщини і при цьому отримує тепло від гарячої породи. Ця гаряча рідина виходить на поверхню через другу свердловину в дублеті. На поверхні нагріта рідина може бути перетворена на пару або пропущена через органічну установку Ренкіна для приводу турбіни, а потім і генератора. Вода з відведеним теплом циркулює.

Хоча це слушна ідея, успіх зупинявся протягом п’ятдесяти років з моменту її створення. Незважаючи на те, що в усьому світі було багато проектів, які досягли наукового успіху, комерційність не була досягнута, а виробництво електроенергії на цих пілотних проектах не перевищило ~1 МВт.

Однак у США цей ресурс є значним. На заході Сполучених Штатів, за оцінками, 519 ГВт на глибинах буріння менше 15,000 20,000 до XNUMX XNUMX футів. Сучасна технологія буріння, адаптована з нафтової промисловості, робить це буріння можливим. Поєднайте це з розробками, які дозволяють бурити горизонтальні свердловини та створювати безліч гідравлічних розривів уздовж цих свердловин (уявіть, що кожна тріщина забезпечує значну площу поверхні для теплообміну), і вдосконалені геотермальні системи є можливими.

Ключовим елементом є створення системи ГРП шляхом ГРП. Це не нове. Вперше його випробували для EGS на майданчику Фентон-Хілл у кальдери Джемез у Нью-Мексико під час ранніх розробок Національними лабораторіями Лос-Аламоса. Варто відзначити, що в грудні 1983 р. було прокачено один великий гідророзрив, щоб спробувати з’єднати дві свердловини (до того, як було легко застосовано сучасне спрямоване буріння). Під час цієї гідравлічної стимуляції 5.7 мільйона галонів води з доданим послаблювачем тертя було перекачувано зі швидкістю до 50 ударів на хвилину (2100 галонів на хвилину) при тиску в свердловині приблизно до 12,000 XNUMX фунтів на квадратний дюйм. Дрібні частинки CaCO₃ були додані для контролю втрати рідини (щоб спростити систему руйнування).

Уроки, отримані від Fenton Hill, інших об’єктів по всьому світу, а також технології інших видобувних галузей (похиле і горизонтальне буріння, багатостадійний гідророзрив) спонукали Міністерство енергетики США (DOE) розпочати оновлену дослідницьку програму, відому як FORGE (Frontier Observatory). for Research in Geothermal Energy) для створення польової лабораторії для тестування нових технологій, які дозволять комерціалізувати EGS.

Q3. Розкажіть про сайт проекту FORGE в штаті Юта і чому його обрали.

DOE спонсорував змагання серед п'яти відомих місць EGS у Сполучених Штатах. Згодом це було «знижено» до сайтів у Фаллоні, штат Невада, та Мілфорді, штат Юта. У 2019 році місце в Мілфорді було в кінцевому підсумку вибрано місцем розташування польової лабораторії FORGE (див. зображення у верхній частині публікації).

Критерії відбору включали: 1) температури в колекторі від 175 до 225°C (досить гаряча, щоб підтвердити концепції, але не настільки гаряча, щоб перешкоджати розвитку технологій), 2) на глибині понад 1.5 км (досить глибока, щоб розробка технології буріння була можлива) , 3) порода з низькою проникністю (граніт на майданчику FORGE), 4) низький ризик виникнення сейсмічності під час роботи, 5) низький екологічний ризик і 6) відсутність підключення до традиційної геотермальної системи.

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

Частина 2 продовжить тему, розглянувши такі запитання та відповіді:

Q4. Яка основна конструкція нагнітальної та експлуатаційної свердловин?

Q5. Чи не могли б ви узагальнити три процедури ГРП у нагнітальній свердловині та їх результати?

Q6. Який потенціал для комерційного застосування?