یک سیستم زمین گرمایی پیشرفته از فناوری نفت و گاز برای استخراج انرژی کم کربن استفاده می کند. قسمت 1.

وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) پروژه ای به نام FORGE را تأمین مالی کرده است که در آن سنگ گرانیت داغ با استفاده از بهترین فناوری نفت و گاز حفاری و شکسته می شود. هدف کلی این است که ببینیم آیا آب پمپاژ شده در یک چاه می تواند از طریق گرانیت به گردش در آید و قبل از پمپاژ چاه دوم برای به حرکت درآوردن توربین هایی که برق تولید می کنند، گرم شود.

جان مک لنان، گروه مهندسی شیمی، دانشگاه یوتا، محقق اصلی این پروژه DOE است. یک ارائه وبینار در مورد این موضوع توسط NSI در 6 آوریل 2022 حمایت شد: Fرصدخانه rontier برای تحقیقات در انرژی زمین گرمایی (FORGE): به روز رسانی و چشم انداز

در ادامه سوالاتی که برای جان مک‌لنان مطرح شده و پاسخ‌های او وجود دارد.

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

Q1. آیا می توانید تاریخچه مختصری از انرژی زمین گرمایی ارائه دهید؟

از ابتدای کار در لاردرلو در ایتالیا، در اوایل دهه 1900، انرژی زمین گرمایی (برای تولید برق و استفاده مستقیم) به یک سیستم نصب شده گسترش یافته است. ظرفیت تولید برق 15.6 گیگاوات (گیگا وات برق) در سال 2021. استفاده جهانی است - بیش از 25 کشور در سراسر جهان. با این حال، تخصیص هنوز هم بخش کوچکی از سبد انرژی جهان است. با نگاهی به این توزیع جهانی، به طور معمول، انرژی زمین گرمایی به بیان نزدیک به سطح دمای بالا محدود می شود، همانطور که در نزدیکی مرزهای صفحه، آتشفشان ها و غیره رخ می دهد.

ایالات متحده بزرگترین ظرفیت تولید برق زمین گرمایی نصب شده را دارد و پس از آن اندونزی، فیلیپین، ترکیه، نیوزلند، مکزیک، ایتالیا، کنیا، ایسلند، ژاپن قرار دارند. از میان این عملیات ها در ایالات متحده، چاه هایی که انرژی زمین گرمایی تولید می کنند ممکن است به طور متوسط ​​بین 4 تا 6 مگاوات باشد. به عنوان یک قاعده سرانگشتی، در دمای 392 درجه فارنهایت (200 درجه سانتیگراد) و جریان با سرعت 9 ضربه در دقیقه (378 گرم در دقیقه)، به ترتیب 1 مگاوات می تواند تولید کند، شاید به 759 تا 1000 خانه در ایالات متحده سرویس دهد.

نیروگاه های زمین گرمایی از نظر اندازه متفاوت هستند، از چند چاه (برخی تا 50 مگاوات تولید می کنند) تا چاه های زیادی. آبفشان، ...، بزرگترین مجموعه نیروگاه های زمین گرمایی در جهان است. Calpine، بزرگترین تولید کننده انرژی زمین گرمایی در ایالات متحده، دارای 13 نیروگاه در The Geysers با ظرفیت خالص تولید حدود 725 مگاوات برق است که برای تامین انرژی 725,000 خانه یا شهری به اندازه سانفرانسیسکو کافی است.

Q2. سیستم های زمین گرمایی پیشرفته چیست و فرکینگ در کجا اعمال می شود؟

حدود پنجاه سال پیش، مفهوم سیستم‌های زمین گرمایی پیشرفته (EGS) توسط دانشمندان و مهندسان آزمایشگاه علمی لوس آلاموس (الان‌ال فعلی) پیش‌بینی شد. در آن زمان، این مفهوم به عنوان سنگ خشک داغ (HDR) شناخته می شد. یکی از روش ها حفر چاه تزریقی و چاه تولیدی و ایجاد شکستگی هایی است که آنها را به هم متصل می کند. این شکستگی ها به عنوان مبدل حرارتی عمل می کنند - بسیار شبیه رادیاتور در یک خودرو.

در این سیستم بسته از آب به عنوان سیال کاری استفاده می شود (آب از بین نمی رود). مایع سرد به داخل یک چاه تزریق می شود. از شکستگی ها عبور می کند و با این کار از سنگ داغ گرما می گیرد. این مایع داغ از طریق چاه دوم دوبلت به سطح تولید می شود. در سطح، سیال گرم شده را می توان به بخار تبدیل کرد یا از طریق یک کارخانه چرخه رانکین آلی عبور داد تا یک توربین و متعاقباً یک ژنراتور را به حرکت درآورد. آب، با گرمای خارج شده، دوباره به گردش در می آید.

در حالی که این یک ایده خوب است، موفقیت پنجاه سال از زمان ایده آن متوقف شده است. در حالی که پروژه های متعددی در سراسر جهان وجود داشته است، با موفقیت علمی، تجاری بودن به دست نیامده است و تولید برق در این پایلوت ها از ~1 مگاوات تجاوز نکرده است.

با این حال، در ایالات متحده، این منبع قابل توجه است. در غرب ایالات متحده، 519 گیگاوات در اعماق حفاری کمتر از 15,000 تا 20,000 فوت تخمین زده می شود. فن آوری مدرن حفاری، اقتباس شده از صنعت نفت، این حفاری را امکان پذیر می کند. با پیشرفت هایی که امکان حفاری چاه های افقی و ایجاد شکستگی های هیدرولیکی متعدد در امتداد این چاه ها را فراهم می کند (تصور کنید هر شکستگی سطح قابل توجهی را برای تبادل حرارت فراهم می کند) و سیستم های زمین گرمایی پیشرفته امکان پذیر است.

ایجاد سیستم شکست با شکست هیدرولیکی یک عنصر کلیدی است. این جدید نیست. این اولین بار برای EGS در سایت فنتون هیل در جمز کالدرا در نیومکزیکو، در طول توسعه های اولیه توسط آزمایشگاه های ملی لوس آلاموس آزمایش شد. نکته قابل توجه، یک شکست هیدرولیکی بزرگ است که در دسامبر 1983 برای تلاش برای اتصال دو چاه به یکدیگر پمپ شده است (قبل از اینکه حفاری جهت دار مدرن به راحتی اعمال شود). در آن تحریک هیدرولیکی، 5.7 میلیون گالن آب با کاهنده اصطکاک اضافه شده تا 50 bpm (2100 گالن در دقیقه) در فشارهای پایین چاله تا حدود 12,000 psi پمپ شد. ذرات ریز CaCO₃ برای کنترل از دست دادن مایعات (برای ساده کردن سیستم شکست) اضافه شدند.

درس‌های آموخته‌شده از فنتون هیل، سایت‌های دیگر در سراسر جهان، و فناوری‌های سایر صنایع استخراج (حفاری مایل و افقی، شکستگی چند مرحله‌ای) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) را تشویق کرد تا یک برنامه تحقیقاتی جدید به نام FORGE (رصدخانه مرزی) را آغاز کند. برای تحقیقات در انرژی زمین گرمایی) برای ساخت یک آزمایشگاه صحرایی برای آزمایش فناوری های جدید که امکان تجاری سازی EGS را فراهم می کند.

Q3. در مورد سایت پروژه FORGE در یوتا و دلیل انتخاب آن به ما بگویید.

DOE از رقابتی بین پنج مکان برجسته EGS در ایالات متحده حمایت کرد. متعاقباً این مورد برای سایت‌هایی در فالون، نوادا، و میلفورد، یوتا «انتخاب‌شده» شد. در سال 2019، سایت میلفورد در نهایت به عنوان محل آزمایشگاه صحرایی FORGE انتخاب شد (تصویر بالای پست را ببینید).

معیارهای انتخاب شامل 1) دمای مخزن بین 175 تا 225 درجه سانتی گراد (به اندازه کافی گرم برای اثبات مفاهیم است اما نه آنقدر گرم که مانع توسعه فناوری شود)، 2) در اعماق بیش از 1.5 کیلومتر (به اندازه کافی عمیق که توسعه فناوری حفاری امکان پذیر باشد) 3) سنگ با نفوذپذیری کم (گرانیت در سایت FORGE)، 4) خطر کم القای لرزه خیزی در حین عملیات، 5) خطرات زیست محیطی کم، و 6) عدم اتصال به یک سیستم زمین گرمایی معمولی.

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

بخش 2 موضوع را با پرداختن به پرسش ها و پاسخ های زیر ادامه می دهد:

Q4. طراحی اساسی چاه های تزریق و تولید چیست؟

Q5. آیا می توانید سه درمان فرک در تزریق و نتایج آنها را به خوبی خلاصه کنید؟

Q6. پتانسیل کاربرد تجاری چیست؟