Un sistema geotérmico mejorado utiliza tecnología de petróleo y gas para extraer energía con bajas emisiones de carbono. Parte 1.

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE, por sus siglas en inglés) financió un proyecto llamado FORGE en el que se perforará y fracturará roca de granito caliente utilizando la mejor tecnología de petróleo y gas. Un objetivo general es ver si el agua bombeada en un pozo puede circular a través del granito y calentarse antes de bombear un segundo pozo para impulsar turbinas que generen electricidad.

John McLennan, del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Utah, es el co-investigador principal de este proyecto del DOE. NSI patrocinó una presentación de seminario web sobre este tema el 6 de abril de 2022: FObservatorio de rontier para la Investigación en Energía Geotérmica (FORGE): una actualización y una mirada al futuro

A continuación se presentan las preguntas que se le hicieron a John McLennan y sus respuestas.

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Q1. ¿Puede proporcionar una breve historia de la energía geotérmica?

Desde los primeros trabajos en Larderello en Italia, a principios del siglo XX, la energía geotérmica (para generación eléctrica y uso directo) se ha expandido a una planta instalada capacidad de generación eléctrica de 15.6 GWe (Gigavatios de electricidad) en 2021. La utilización es global: más de 25 países en todo el mundo. Sin embargo, la asignación sigue siendo una pequeña porción de la cartera energética mundial. Mirando esta distribución global, convencionalmente, la energía geotérmica está restringida a la expresión de temperatura elevada cerca de la superficie, como ocurriría cerca de los límites de las placas, volcanes, etc.

Estados Unidos tiene la mayor capacidad de generación eléctrica geotérmica instalada, seguido de Indonesia, Filipinas, Turquía, Nueva Zelanda, México, Italia, Kenia, Islandia y Japón. De estas operaciones en los Estados Unidos, los pozos que producen energía geotérmica pueden tener un promedio de 4 a 6 MWe. Como regla general, a 392 °F (200 °C) y fluyendo a 9 bpm (378 gpm), del orden de 1 MWe puede estar generando, tal vez dando servicio a 759 a 1000 hogares en los Estados Unidos.

Las plantas de energía geotérmica varían en tamaño, desde unos pocos pozos (algunos producen hasta 50 MWe) hasta muchos pozos. “The Geysers,…, es el complejo de plantas de energía geotérmica más grande del mundo. Calpine, el productor de energía geotérmica más grande de los EE. UU., posee y opera 13 plantas de energía en The Geysers con una capacidad de generación neta de alrededor de 725 megavatios de electricidad, suficiente para alimentar 725,000 XNUMX hogares o una ciudad del tamaño de San Francisco”.

Q2. ¿Qué son los sistemas geotérmicos mejorados y dónde se aplica el fracking?

Hace unos cincuenta años, el concepto de Sistemas Geotérmicos Mejorados (EGS) fue ideado por científicos e ingenieros en Los Alamos Scientific Laboratories (ahora LANL). En aquel entonces, el concepto se conocía como roca seca caliente (HDR). Una metodología es perforar un pozo de inyección y un pozo de producción y crear las fracturas que los interconectan. Estas fracturas sirven como intercambiadores de calor, al igual que el radiador de un automóvil.

El agua se utiliza como fluido de trabajo en este sistema cerrado (no se pierde agua). Se inyecta fluido frío en un pozo. Pasa a través de las fracturas y al hacerlo adquiere calor de la roca caliente. Este fluido caliente se produce a la superficie a través del segundo pozo en el doblete. En la superficie, el fluido calentado puede convertirse en vapor o pasar por una planta de ciclo Rankine orgánico para impulsar una turbina y, posteriormente, un generador. El agua, con el calor extraído, se recircula.

Si bien es una buena idea, el éxito se ha visto obstaculizado durante los cincuenta años desde su concepción. Si bien ha habido múltiples proyectos en todo el mundo, con éxito científico, no se ha logrado la comercialidad y la generación eléctrica en estos pilotos no ha superado ~1 MWe.

Sin embargo, en los EE. UU., el recurso es significativo. En el oeste de los Estados Unidos, las estimaciones son de 519 GWe a profundidades de perforación de menos de 15,000 20,000 a XNUMX XNUMX pies. La tecnología de perforación moderna, adaptada de la industria del petróleo, hace que esta perforación sea factible. Combine eso con los desarrollos que permiten perforar pozos horizontales y crear una multiplicidad de fracturas hidráulicas a lo largo de estos pozos (imagine que cada fractura proporciona un área de superficie significativa para el intercambio de calor) y los sistemas geotérmicos mejorados son factibles.

La creación del sistema de fractura mediante fracturación hidráulica es un elemento clave. Esto no es nuevo. Primero se probó para EGS en el sitio de Fenton Hill en Jemez Caldera en Nuevo México, durante los primeros desarrollos de Los Alamos National Laboratories. Cabe destacar una gran fractura hidráulica bombeada en diciembre de 1983 para intentar interconectar dos pozos (antes de que se aplicara fácilmente la perforación direccional moderna). En esa estimulación hidráulica, se bombearon 5.7 millones de galones de agua con un reductor de fricción agregado a hasta 50 bpm (2100 galones por minuto) a presiones de fondo de pozo de hasta aproximadamente 12,000 XNUMX psi. Finas partículas de CaCO₃ se agregaron para el control de pérdida de fluido (para simplificar el sistema de fractura).

Las lecciones aprendidas de Fenton Hill, otros sitios alrededor del mundo y las tecnologías de otras industrias de extracción (perforación inclinada y horizontal, fracturación multietapa) alentaron al Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) a iniciar un programa de investigación renovado conocido como FORGE (Observatorio Fronterizo). para la Investigación en Energía Geotérmica) para construir un laboratorio de campo para probar nuevas tecnologías que permitirían la comercialización de EGS.

Q3. Cuéntenos sobre el sitio del proyecto FORGE en Utah y por qué fue seleccionado.

El DOE patrocinó una competencia entre cinco ubicaciones destacadas de EGS en los Estados Unidos. Esto fue posteriormente "seleccionado" a sitios en Fallon, Nevada y Milford, Utah. En 2019, el sitio de Milford finalmente se seleccionó como la ubicación del laboratorio de campo de FORGE (vea la imagen en la parte superior de la publicación).

Los criterios para la selección incluyeron 1) temperaturas del yacimiento entre 175 y 225°C (lo suficientemente caliente para probar los conceptos, pero no tanto como para impedir el desarrollo de la tecnología), 2) a profundidades superiores a 1.5 km (lo suficientemente profundo como para que el desarrollo de la tecnología de perforación sea factible) , 3) roca de baja permeabilidad (granito en el sitio de FORGE), 4) bajo riesgo de inducir sismicidad durante las operaciones, 5) bajo riesgo ambiental y 6) sin conexión a un sistema geotérmico convencional.

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La Parte 2 continuará con el tema abordando las siguientes preguntas y respuestas:

Q4. ¿Cuál es el diseño básico de los pozos de inyección y producción?

P5. ¿Podría resumir los tres tratamientos de fractura en el pozo de inyección y sus resultados?

P6. ¿Cuál es el potencial de aplicación comercial?