Een verbeterd geothermisch systeem maakt gebruik van olie- en gastechnologie om koolstofarme energie te winnen. Deel 1.

Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) heeft een project gefinancierd met de naam FORGE, waarbij heet granietgesteente zal worden geboord en gefrackt met behulp van de beste olie- en gastechnologie. Een algemeen doel is om te zien of water dat uit één put wordt gepompt, door het graniet kan worden gecirculeerd en kan worden verwarmd voordat het door een tweede put wordt opgepompt om turbines aan te drijven die elektriciteit opwekken.

John McLennan, afdeling Chemische Technologie, Universiteit van Utah, is de co-hoofdonderzoeker voor dit DOE-project. Op 6 april 2022 werd een webinarpresentatie over dit onderwerp gesponsord door NSI: FRontier Observatorium voor onderzoek in geothermische energie (FORGE): een update en vooruitblik

Hieronder volgen vragen die aan John McLennan zijn gesteld, en zijn antwoorden.

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

Q1. Kunt u een korte geschiedenis van geothermische energie geven?

Vanaf het vroege werk in Larderello in Italië, begin 1900e eeuw, heeft geothermische energie (voor elektriciteitsopwekking en direct gebruik) zich uitgebreid tot een geïnstalleerde elektrische opwekkingscapaciteit van 15.6 GWe (GigaWatt elektriciteit) in 2021. Het gebruik is mondiaal – meer dan 25 landen wereldwijd. Allocatie maakt echter nog steeds een klein deel uit van de energieportefeuille in de wereld. Als we naar deze mondiale distributie kijken, is geothermische energie conventioneel beperkt tot de uitdrukking van verhoogde temperatuur aan het oppervlak, zoals zou gebeuren in de buurt van plaatgrenzen, vulkanen, enz.

De Verenigde Staten hebben de grootste geïnstalleerde geothermische elektriciteitsopwekkingscapaciteit, gevolgd door Indonesië, de Filippijnen, Turkije, Nieuw-Zeeland, Mexico, Italië, Kenia, IJsland en Japan. Van deze activiteiten in de Verenigde Staten zouden de putten die geothermische energie produceren gemiddeld 4 tot 6 MWe kunnen opleveren. Als vuistregel kan worden aangenomen dat bij een temperatuur van 392 °F (200 °C) en een stroomsnelheid van 9 bpm (378 gpm) ongeveer 1 MWe kan worden gegenereerd, waarmee misschien 759 tot 1000 huizen in de Verenigde Staten kunnen worden bediend.

Geothermische energiecentrales variëren in grootte, van enkele putten (sommige produceren tot 50 MWe) tot vele putten. “De Geisers, …, is het grootste complex van geothermische energiecentrales ter wereld. Calpine, de grootste producent van geothermische energie in de VS, bezit en exploiteert 13 energiecentrales in The Geysers met een netto opwekkingscapaciteit van ongeveer 725 megawatt elektriciteit – genoeg om 725,000 huizen of een stad ter grootte van San Francisco van stroom te voorzien.”

Vraag 2. Wat zijn verbeterde geothermische systemen en waar wordt fracking toegepast?

Ongeveer vijftig jaar geleden werd het concept van Enhanced Geothermal Systems (EGS) bedacht door wetenschappers en ingenieurs van de Los Alamos Scientific Laboratories (nu LANL). Destijds stond het concept bekend als Hot Dry Rock (HDR). Eén methodologie is het boren van een injectieput en een productieput en het creëren van de breuken die deze met elkaar verbinden. Deze breuken dienen als warmtewisselaars, net zoals de radiator in een auto.

In dit gesloten systeem wordt water als werkvloeistof gebruikt (er gaat geen water verloren). Koude vloeistof wordt in één put geïnjecteerd. Het passeert de breuken en verkrijgt daarbij warmte van het hete gesteente. Deze hete vloeistof wordt via de tweede put in het doublet naar het oppervlak geproduceerd. Aan de oppervlakte kan de verwarmde vloeistof worden omgezet in stoom of door een organische Rankine-cyclusinstallatie worden geleid om een ​​turbine en vervolgens een generator aan te drijven. Het water, waaraan de warmte wordt onttrokken, wordt gerecirculeerd.

Hoewel het een goed idee is, wordt het succes al vijftig jaar sinds de conceptie ervan belemmerd. Hoewel er over de hele wereld meerdere projecten zijn geweest, met wetenschappelijk succes, is de commercialiteit niet bereikt en is de elektriciteitsopwekking bij deze pilots niet groter dan ~1 MWe.

In de VS zijn de hulpbronnen echter aanzienlijk. In het westen van de Verenigde Staten bedragen de schattingen 519 GWe bij boordieptes van minder dan 15,000 tot 20,000 voet. Moderne boortechnologie, overgenomen uit de aardolie-industrie, maakt dit boren mogelijk. Combineer dat met ontwikkelingen die het boren van horizontale putten mogelijk maken en het creëren van een groot aantal hydraulische breuken langs deze putten (stel je voor dat elke breuk een aanzienlijk oppervlak voor warmte-uitwisseling biedt) en verbeterde geothermische systemen zijn haalbaar.

Het creëren van het breuksysteem door hydraulisch breken is een sleutelelement. Dit is niet nieuw. Het werd voor het eerst geprobeerd voor EGS op de Fenton Hill-locatie in de Jemez Caldera in New Mexico, tijdens vroege ontwikkelingen door de Los Alamos National Laboratories. Opmerkelijk is dat er in december 1983 een grote hydraulische breuk is gepompt in een poging twee putten met elkaar te verbinden (voordat moderne gestuurde boringen gemakkelijk konden worden toegepast). Bij die hydraulische stimulatie werd 5.7 miljoen gallons water met toegevoegde wrijvingsverminderaar gepompt met een snelheid tot 50 bpm (2100 gallons per minuut) bij een druk in het boorgat tot ongeveer 12,000 psi. Fijne deeltjes CaCO₃ werden toegevoegd voor vloeistofverliescontrole (om het breuksysteem te vereenvoudigen).

De lessen die zijn geleerd uit Fenton Hill en andere locaties over de hele wereld, en technologieën uit andere winningsindustrieën (hellings- en horizontaal boren, meertraps breken) moedigden het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) aan om een ​​vernieuwd onderzoeksprogramma te starten dat bekend staat als FORGE (Frontier Observatory). voor onderzoek naar geothermische energie) om een ​​veldlaboratorium te bouwen om nieuwe technologieën te testen die de commercialisering van EGS mogelijk zouden maken.

Q3. Vertel ons over de locatie van het FORGE-project in Utah en waarom deze is geselecteerd.

De DOE sponsorde een wedstrijd tussen vijf prominente EGS-locaties in de Verenigde Staten. Dit werd vervolgens “down-geselecteerd” naar locaties in Fallon, Nevada en Milford, Utah. In 2019 werd de locatie in Milford uiteindelijk gekozen als locatie voor het FORGE-veldlaboratorium (zie afbeelding bovenaan het bericht).

De selectiecriteria omvatten 1) reservoirtemperaturen tussen 175 en 225°C (heet genoeg om concepten te bewijzen, maar niet zo heet dat de technologische ontwikkeling wordt belemmerd), 2) op diepten groter dan 1.5 km (diep genoeg dat ontwikkeling van boortechnologie haalbaar is) 3) gesteente met lage permeabiliteit (graniet op de FORGE-locatie), 4) laag risico op het veroorzaken van seismiciteit tijdens operaties, 5) lage milieurisico's, en 6) geen verbinding met een conventioneel geothermisch systeem.

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

In deel 2 wordt het onderwerp voortgezet door de volgende vragen en antwoorden te behandelen:

Q4. Wat is het basisontwerp van de injectie- en productieputten?

Vraag 5. Kunt u de drie frac-behandelingen in de injectieput en hun resultaten samenvatten?

Vraag 6. Wat is het potentieel voor commerciële toepassing?