Усовершенствованная геотермальная система использует нефтегазовые технологии для добычи низкоуглеродной энергии. Часть 1.

Министерство энергетики США (DOE) профинансировало проект под названием FORGE, в рамках которого будут бурить и дробить горячую гранитную породу с использованием лучших нефтегазовых технологий. Общая цель состоит в том, чтобы увидеть, может ли вода, откачиваемая из одной скважины, циркулировать через гранит и нагреваться перед тем, как накачать вторую скважину для привода турбин, вырабатывающих электроэнергию.

Джон МакЛеннан, факультет химического машиностроения, Университет штата Юта, является соруководителем этого проекта Министерства энергетики США. Презентация вебинара по этой теме была организована NSI 6 апреля 2022 г.: FОбсерватория Ронтье для исследований в области геотермальной энергии (FORGE): обновленная информация и прогнозы

Ниже приведены вопросы, заданные Джону МакЛеннану, и его ответы.

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

Q1. Можете ли вы предоставить краткую историю геотермальной энергии?

С первых работ в Лардерелло в Италии, в начале 1900-х годов, геотермальная энергия (для производства электроэнергии и прямого использования) распространилась до установленного уровня. электрическая мощность 15.6 ГВт (Гигаватты электроэнергии) в 2021 году. Использование является глобальным – более чем в 25 странах мира. Однако распределение по-прежнему составляет небольшую часть мирового энергетического портфеля. Глядя на это глобальное распределение, традиционно геотермальная энергия ограничивается приповерхностным проявлением повышенной температуры, как это происходит вблизи границ плит, вулканов и т. д.

США обладают крупнейшими установленными мощностями по производству геотермальной электроэнергии, за ними следуют Индонезия, Филиппины, Турция, Новая Зеландия, Мексика, Италия, Кения, Исландия, Япония. Из этих операций в Соединенных Штатах мощность скважин, производящих геотермальную энергию, может составлять в среднем от 4 до 6 МВт. Как правило, при температуре 392°F (200°C) и скорости потока 9 ударов в минуту (378 галлонов в минуту) можно генерировать около 1 МВт электроэнергии, возможно, обслуживая от 759 до 1000 домов в Соединенных Штатах.

Геотермальные электростанции различаются по размеру: от нескольких скважин (некоторые производят до 50 МВт) до множества скважин. «Гейзеры… — крупнейший комплекс геотермальных электростанций в мире. Компания Calpine, крупнейший производитель геотермальной энергии в США, владеет и управляет 13 электростанциями в Гейзерс с чистой генерирующей мощностью около 725 мегаватт электроэнергии – достаточной для питания 725,000 XNUMX домов или города размером с Сан-Франциско».

Q2. Что такое усовершенствованные геотермальные системы и где применяется фрекинг?

Около пятидесяти лет назад концепция усовершенствованных геотермальных систем (EGS) была предложена учеными и инженерами Лос-Аламосских научных лабораторий (ныне LANL). Тогда эта концепция была известна как горячий сухой камень (HDR). Один из методов заключается в бурении нагнетательной и добывающей скважин и создании соединяющих их трещин. Эти трещины служат теплообменниками, подобно радиатору в автомобиле.

В качестве рабочего тела в этой закрытой системе используется вода (вода не теряется). Холодная жидкость закачивается в одну скважину. Он проходит через трещины и при этом получает тепло от горячей породы. Эта горячая жидкость выводится на поверхность через вторую скважину дублета. На поверхности нагретую жидкость можно превратить в пар или пропустить через установку с органическим циклом Ренкина для приведения в действие турбины, а затем и генератора. Вода с отведенным теплом рециркулируется.

Хотя это и здравая идея, успех был загнан в тупик на протяжении пятидесяти лет с момента ее зарождения. Несмотря на то, что по всему миру было реализовано множество проектов, имевших научный успех, они не были коммерциализированы, а выработка электроэнергии на этих пилотных проектах не превысила ~ 1 МВт.

Однако в США этот ресурс значителен. На западе США, по оценкам, мощность составляет 519 ГВт при глубине бурения менее 15,000 20,000–XNUMX XNUMX футов. Современные технологии бурения, заимствованные из нефтяной промышленности, делают это бурение возможным. В сочетании с разработками, которые позволяют бурить горизонтальные скважины и создавать множество гидроразрывов вдоль этих скважин (представьте, что каждая трещина обеспечивает значительную площадь поверхности для теплообмена), можно создать усовершенствованные геотермальные системы.

Создание системы трещин путем гидроразрыва является ключевым элементом. Это не ново. Впервые его опробовали для EGS на участке Фентон-Хилл в кальдере Джемез в Нью-Мексико, во время ранних разработок Национальных лабораторий Лос-Аламоса. Следует отметить, что в декабре 1983 года была закачана одна крупная трещина гидроразрыва с целью попытаться соединить две скважины (до того, как было широко применено современное наклонно-направленное бурение). В ходе этой гидравлической стимуляции было закачано 5.7 миллиона галлонов воды с добавленным понизителем трения со скоростью до 50 ударов в минуту (2100 галлонов в минуту) при скважинном давлении примерно до 12,000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм. Мелкие частицы CaCO₃ были добавлены для контроля потерь жидкости (для упрощения системы трещин).

Уроки, извлеченные из Фентон-Хилла и других объектов по всему миру, а также технологии других добывающих отраслей (наклонное и горизонтальное бурение, многостадийный разрыв пласта) побудили Министерство энергетики США (DOE) инициировать обновленную исследовательскую программу, известную как FORGE (Frontier Observatory). по исследованиям в области геотермальной энергии) для строительства полевой лаборатории для тестирования новых технологий, которые позволят коммерциализировать ЭТУ.

Q3. Расскажите о сайте проекта FORGE в Юте и почему он был выбран.

Министерство энергетики спонсировало конкурс среди пяти известных мест EGS в Соединенных Штатах. Впоследствии этот объект был «сокращен» до объектов в Фэллоне, штат Невада, и Милфорде, штат Юта. В 2019 году площадка в Милфорде была в конечном итоге выбрана местом расположения полевой лаборатории FORGE (см. изображение вверху публикации).

Критерии отбора включали: 1) пластовые температуры от 175 до 225°C (достаточно высокие для проверки концепций, но не настолько высокие, чтобы препятствовать развитию технологий), 2) на глубинах более 1.5 км (достаточно глубокие, чтобы можно было разработать технологию бурения) , 3) порода с низкой проницаемостью (гранит на площадке FORGE), 4) низкий риск возникновения сейсмичности во время эксплуатации, 5) низкие экологические риски и 6) отсутствие связи с традиционной геотермальной системой.

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

Часть 2 продолжит тему, рассматривая следующие вопросы и ответы:

Q4. Какова базовая конструкция нагнетательных и добывающих скважин?

Q5. Не могли бы вы подытожить три ГРП в нагнетательной скважине и их результаты?

Q6. Каков потенциал коммерческого применения?