ระบบความร้อนใต้พิภพที่ปรับปรุงแล้วใช้เทคโนโลยีน้ำมันและก๊าซในการขุดพลังงานคาร์บอนต่ำ ส่วนที่ 1.

กระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ได้ให้ทุนสนับสนุนโครงการที่เรียกว่า FORGE ซึ่งจะเจาะและแยกหินแกรนิตร้อนโดยใช้เทคโนโลยีน้ำมันและก๊าซที่ดีที่สุด เป้าหมายโดยรวมคือการดูว่าน้ำที่สูบลงหลุมหนึ่งสามารถหมุนเวียนผ่านหินแกรนิตและทำให้ร้อนก่อนที่จะสูบน้ำในบ่อที่สองเพื่อขับเคลื่อนกังหันที่ผลิตกระแสไฟฟ้าได้หรือไม่

John McLennan ภาควิชาวิศวกรรมเคมี University of Utah เป็นผู้ตรวจสอบร่วมสำหรับโครงการ DOE นี้ การนำเสนอการสัมมนาผ่านเว็บในหัวข้อนี้ได้รับการสนับสนุนโดย NSI เมื่อวันที่ 6 เมษายน พ.ศ. 2022: Frontier หอดูดาวเพื่อการวิจัยพลังงานความร้อนใต้พิภพ (FORGE): การปรับปรุงและ Lookahead

ต่อไปนี้เป็นคำถามที่ถามถึง John McLennan และคำตอบของเขา

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

ไตรมาสที่ 1 คุณสามารถให้ประวัติโดยย่อของพลังงานความร้อนใต้พิภพได้หรือไม่?

จากการทำงานช่วงแรกๆ ที่ Larderello ในอิตาลี ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 พลังงานความร้อนใต้พิภพ (สำหรับการผลิตไฟฟ้าและการใช้งานโดยตรง) ได้ขยายไปสู่การติดตั้ง กำลังการผลิตไฟฟ้า 15.6 GWe (GigaWatts ของไฟฟ้า) ในปี พ.ศ. 2021 มีอัตราการใช้ประโยชน์ทั่วโลก – มากกว่า 25 ประเทศทั่วโลก อย่างไรก็ตาม การจัดสรรยังคงเป็นส่วนเล็กๆ ของพอร์ตโฟลิโอพลังงานของโลก เมื่อพิจารณาถึงการกระจายตัวทั่วโลกนี้ ตามอัตภาพ พลังงานความร้อนใต้พิภพถูกจำกัดให้แสดงอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นใกล้พื้นผิวเช่นเดียวกับที่จะเกิดขึ้นใกล้กับขอบจาน ภูเขาไฟ ฯลฯ

สหรัฐอเมริกามีกำลังการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนใต้พิภพที่ใหญ่ที่สุด รองลงมาคืออินโดนีเซีย ฟิลิปปินส์ ตุรกี นิวซีแลนด์ เม็กซิโก อิตาลี เคนยา ไอซ์แลนด์ ญี่ปุ่น จากการดำเนินการเหล่านี้ในสหรัฐอเมริกา หลุมที่ผลิตพลังงานความร้อนใต้พิภพอาจมีค่าเฉลี่ย 4 ถึง 6 MWe ตามหลักการแล้ว ที่อุณหภูมิ 392°F (200°C) และไหลที่ 9 bpm (378 gpm) ตามลำดับ 1 MWe ที่สามารถสร้างได้ อาจให้บริการ 759 ถึง 1000 หลังคาเรือนในสหรัฐอเมริกา

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพมีขนาดแตกต่างกันไป ตั้งแต่ไม่กี่หลุม (บางแห่งผลิตได้ถึง 50 MWe) ไปจนถึงหลายหลุม “ไกเซอร์ … เป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพที่ใหญ่ที่สุดในโลก Calpine ผู้ผลิตพลังงานความร้อนใต้พิภพที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา เป็นเจ้าของและดำเนินการโรงไฟฟ้า 13 แห่งที่ The Geysers โดยมีกำลังการผลิตสุทธิประมาณ 725 เมกะวัตต์ ซึ่งเพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้กับบ้านเรือน 725,000 หลังหรือในเมืองที่มีขนาดเท่ากับซานฟรานซิสโก”

ไตรมาสที่ 2 ระบบความร้อนใต้พิภพที่ได้รับการปรับปรุงคืออะไร และมีการใช้ fracking ที่ไหน

ประมาณห้าสิบปีที่แล้ว แนวคิดของระบบความร้อนใต้พิภพที่ได้รับการปรับปรุง (EGS) ถูกจินตนาการโดยนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ลอส อาลามอส (ปัจจุบันคือ LANL) ย้อนกลับไปในสมัยนั้น แนวคิดนี้รู้จักกันในชื่อ Hot dry rock (HDR) วิธีการหนึ่งคือการเจาะหลุมฉีดและหลุมผลิต และสร้างรอยร้าวที่เชื่อมต่อกัน รอยแตกเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อน เช่นเดียวกับหม้อน้ำในรถยนต์

น้ำถูกใช้เป็นสารทำงานในระบบปิดนี้ (น้ำจะไม่สูญหาย) ของเหลวเย็นถูกฉีดลงไปหนึ่งบ่อ มันทะลุผ่านรอยแตกและในการทำเช่นนั้นได้รับความร้อนจากหินร้อน ของเหลวร้อนนี้ถูกผลิตขึ้นสู่ผิวน้ำผ่านหลุมที่สองในถังคู่ ที่พื้นผิว ของเหลวที่ให้ความร้อนสามารถแฟลชเป็นไอน้ำหรือวิ่งผ่านโรงงานวงจรแรงคินแบบออร์แกนิกเพื่อขับเคลื่อนกังหันและต่อมาเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า น้ำที่นำความร้อนออกจะถูกหมุนเวียนซ้ำ

แม้ว่าจะเป็นแนวคิดที่ดี แต่ความสำเร็จก็ถูกขัดขวางมาเป็นเวลาห้าสิบปีนับตั้งแต่มีความคิดริเริ่ม แม้ว่าจะมีหลายโครงการทั่วโลก แต่ด้วยความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ ยังไม่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ และการผลิตไฟฟ้าที่นักบินเหล่านี้ไม่เกิน ~ 1 MWe

อย่างไรก็ตาม ในสหรัฐอเมริกา ทรัพยากรมีความสำคัญ ทางตะวันตกของสหรัฐอเมริกา ค่าประมาณอยู่ที่ 519 GWe ที่ความลึกของการเจาะน้อยกว่า 15,000 ถึง 20,000 ฟุต เทคโนโลยีการขุดเจาะที่ทันสมัยซึ่งดัดแปลงมาจากอุตสาหกรรมปิโตรเลียมทำให้การขุดเจาะนี้เป็นไปได้ ควบคู่ไปกับการพัฒนาที่ช่วยให้สามารถเจาะหลุมแนวนอนและสร้างการแตกหักของไฮดรอลิกได้หลายหลากตามหลุมเหล่านี้ (ลองนึกภาพการแตกหักแต่ละครั้งให้พื้นที่ผิวที่สำคัญสำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อน) และระบบความร้อนใต้พิภพที่ปรับปรุงแล้วนั้นเป็นไปได้

การสร้างระบบการแตกหักโดยการแตกหักแบบไฮดรอลิกเป็นองค์ประกอบหลัก นี่ไม่ใช่เรื่องใหม่ การทดสอบนี้เป็นครั้งแรกสำหรับ EGS ที่ไซต์ Fenton Hill ใน Jemez Caldera ในนิวเม็กซิโก ระหว่างการพัฒนาในช่วงต้นโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos ที่น่าสังเกตคือ มีการแตกหักด้วยไฮดรอลิกขนาดใหญ่จุดหนึ่งซึ่งสูบในเดือนธันวาคม พ.ศ. 1983 เพื่อพยายามเชื่อมระหว่างสองหลุม (ก่อนที่จะมีการเจาะตามทิศทางสมัยใหม่) ในการกระตุ้นด้วยไฮดรอลิกนั้น น้ำ 5.7 ล้านแกลลอนที่มีตัวลดแรงเสียดทานเพิ่มเติมถูกสูบที่สูงถึง 50 bpm (2100 แกลลอนต่อนาที) ที่แรงดันในหลุมเจาะที่สูงถึงประมาณ 12,000 psi อนุภาคละเอียดของ CaCO₃ เพิ่มการควบคุมการสูญเสียของเหลว (เพื่อลดความซับซ้อนของระบบการแตกหัก)

บทเรียนที่ได้รับจาก Fenton Hill ไซต์อื่นๆ ทั่วโลก และเทคโนโลยีจากอุตสาหกรรมการสกัดอื่นๆ (การขุดเจาะแนวเอียงและแนวนอน การแตกหักแบบหลายขั้นตอน) สนับสนุนให้กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (DOE) ริเริ่มโครงการวิจัยใหม่ที่เรียกว่า FORGE (Frontier Observatory) เพื่อการวิจัยพลังงานความร้อนใต้พิภพ) เพื่อสร้างห้องปฏิบัติการภาคสนามเพื่อทดสอบเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่จะช่วยให้ EGS เชิงพาณิชย์ได้

ไตรมาสที่ 3 บอกเราเกี่ยวกับไซต์ของโครงการ FORGE ในยูทาห์ และเหตุใดจึงได้รับเลือก

DOE สนับสนุนการแข่งขันระหว่างสถานที่ EGS ที่โดดเด่นห้าแห่งในสหรัฐอเมริกา ต่อมา “ถูกคัดเลือก” ไปยังสถานที่ต่างๆ ในฟอลลอน เนวาดา และมิลฟอร์ด ยูทาห์ ในปี 2019 ในที่สุด ไซต์ Milford ได้รับเลือกให้เป็นที่ตั้งของห้องปฏิบัติการภาคสนามของ FORGE (ดูภาพที่ด้านบนสุดของโพสต์)

เกณฑ์การคัดเลือกประกอบด้วย 1) อุณหภูมิอ่างเก็บน้ำระหว่าง 175 ถึง 225 องศาเซลเซียส (ร้อนพอที่จะพิสูจน์แนวคิดแต่ไม่ร้อนมากจนขัดขวางการพัฒนาเทคโนโลยี) 2) ที่ระดับความลึกมากกว่า 1.5 กม. (ลึกพอที่จะพัฒนาเทคโนโลยีการขุดเจาะได้) , 3) หินซึมผ่านต่ำ (หินแกรนิตที่ไซต์ FORGE), 4) มีความเสี่ยงต่ำที่จะทำให้เกิดแผ่นดินไหวระหว่างการปฏิบัติงาน, 5) ความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ และ 6) ไม่มีการเชื่อมต่อกับระบบความร้อนใต้พิภพทั่วไป

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

ส่วนที่ 2 จะดำเนินตามหัวข้อโดยตอบคำถามและคำตอบต่อไปนี้:

ไตรมาสที่ 4 การออกแบบพื้นฐานของหลุมฉีดและการผลิตคืออะไร?

Q5. คุณช่วยสรุปวิธีการรักษาด้วย frac ทั้งสามแบบในการฉีดและผลลัพธ์ได้หรือไม่

Q6. ศักยภาพในการใช้งานเชิงพาณิชย์คืออะไร?