Un sistema geotermico avanzato utilizza la tecnologia del petrolio e del gas per estrarre energia a basse emissioni di carbonio. Parte 1.

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha finanziato un progetto chiamato FORGE in cui la roccia di granito calda verrà perforata e fratturata utilizzando la migliore tecnologia del petrolio e del gas. Un obiettivo generale è vedere se l'acqua pompata in un pozzo può essere fatta circolare attraverso il granito e riscaldata prima di pompare un secondo pozzo per azionare le turbine che generano elettricità.

John McLennan, Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università dello Utah, è il ricercatore co-principale di questo progetto DOE. Una presentazione webinar su questo argomento è stata sponsorizzata da NSI il 6 aprile 2022: Frontier Osservatorio per la ricerca sull'energia geotermica (FORGE): un aggiornamento e una prospettiva

Di seguito sono riportate le domande poste a John McLennan e le sue risposte.

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Q1. Puoi fornire una breve storia dell'energia geotermica?

Dai primi lavori a Larderello in Italia, nei primi anni del 1900, l'energia geotermica (per la generazione elettrica e l'uso diretto) si è ampliata a una capacità di generazione elettrica di 15.6 GWe (GigaWatt di elettricità) nel 2021. L'utilizzo è globale: più di 25 paesi in tutto il mondo. Tuttavia, l'allocazione è ancora una piccola parte del portafoglio energetico mondiale. Osservando questa distribuzione globale, convenzionalmente, l'energia geotermica è vincolata all'espressione vicino alla superficie di una temperatura elevata, come accadrebbe vicino ai confini delle placche, ai vulcani, ecc.

Gli Stati Uniti hanno la più grande capacità di generazione elettrica geotermica installata, seguiti da Indonesia, Filippine, Turchia, Nuova Zelanda, Messico, Italia, Kenya, Islanda, Giappone. Di queste operazioni negli Stati Uniti, i pozzi che producono energia geotermica potrebbero avere una media di 4-6 MWe. Come regola pratica, a 392°C (200°F) e fluendo a 9 bpm (378 gpm), nell'ordine di 1 MWe può generare, magari servendo da 759 a 1000 case negli Stati Uniti.

Le centrali geotermiche variano in dimensioni, da pochi pozzi (alcuni producono fino a 50 MWe) a molti pozzi. “The Geyser, …, è il più grande complesso di centrali geotermiche del mondo. Calpine, il più grande produttore di energia geotermica negli Stati Uniti, possiede e gestisce 13 centrali elettriche presso The Geyser con una capacità di generazione netta di circa 725 megawatt di elettricità, sufficiente per alimentare 725,000 case o una città delle dimensioni di San Francisco.

Q2. Cosa sono i sistemi geotermici potenziati e dove viene applicato il fracking?

Circa cinquant'anni fa, il concetto di Enhanced Geothermal Systems (EGS) è stato concepito da scienziati e ingegneri dei Los Alamos Scientific Laboratories (ora LANL). All'epoca, il concetto era noto come hot dry rock (HDR). Una metodologia consiste nel perforare un pozzo di iniezione e un pozzo di produzione e creare le fratture che li collegano. Queste fratture fungono da scambiatori di calore, proprio come il radiatore di un'automobile.

L'acqua viene utilizzata come fluido di lavoro in questo sistema chiuso (l'acqua non viene persa). Il fluido freddo viene iniettato in un pozzo. Passa attraverso le fratture e così facendo acquisisce calore dalla roccia calda. Questo fluido caldo viene prodotto in superficie attraverso il secondo pozzo nel doppietto. In superficie, il fluido riscaldato può essere trasformato in vapore o passare attraverso un impianto a ciclo organico Rankine per azionare una turbina e successivamente un generatore. L'acqua, tolta il calore, viene fatta ricircolare.

Sebbene sia una buona idea, il successo è stato ostacolato per i cinquant'anni dal suo concepimento. Sebbene ci siano stati più progetti in tutto il mondo, con successo scientifico, la commercializzazione non è stata raggiunta e la generazione di elettricità in questi progetti pilota non ha superato ~ 1 MWe.

Negli Stati Uniti, invece, la risorsa è significativa. Negli Stati Uniti occidentali, le stime sono 519 GWe a profondità di perforazione inferiori a 15,000 a 20,000 piedi. La moderna tecnologia di perforazione, adattata dall'industria petrolifera, rende possibile questa perforazione. Abbinalo a sviluppi che consentono la perforazione di pozzi orizzontali e la creazione di una molteplicità di fratture idrauliche lungo questi pozzi (immagina che ogni frattura fornisce una superficie significativa per lo scambio di calore) e sistemi geotermici avanzati sono fattibili.

La creazione del sistema di frattura mediante fratturazione idraulica è un elemento chiave. Questo non è nuovo. È stato provato per la prima volta per l'EGS presso il sito di Fenton Hill nella caldera di Jemez nel New Mexico, durante i primi sviluppi dai laboratori nazionali di Los Alamos. Degna di nota è una grande frattura idraulica pompata nel dicembre 1983 per tentare di interconnettere due pozzi (prima che la moderna perforazione direzionale fosse prontamente applicata). In quella stimolazione idraulica, sono stati pompati 5.7 milioni di galloni d'acqua con un riduttore di attrito aggiunto fino a 50 bpm (2100 galloni al minuto) a pressioni di fondo fino a circa 12,000 psi. Particelle fini di CaCO₃ sono stati aggiunti per il controllo della perdita di liquidi (per semplificare il sistema di frattura).

Le lezioni apprese da Fenton Hill, altri siti in tutto il mondo e le tecnologie di altre industrie estrattive (perforazioni inclinate e orizzontali, fratturazione multistadio) hanno incoraggiato il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ad avviare un rinnovato programma di ricerca noto come FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy) per costruire un laboratorio sul campo per testare nuove tecnologie che consentirebbero la commercializzazione di EGS.

Q3. Raccontaci del sito del progetto FORGE nello Utah e del motivo per cui è stato selezionato.

Il DOE ha sponsorizzato una competizione tra cinque importanti località EGS negli Stati Uniti. Questo è stato successivamente "selezionato" ai siti di Fallon, Nevada, e Milford, Utah. Nel 2019, il sito di Milford è stato infine selezionato come sede del laboratorio sul campo FORGE (vedi immagine in cima al post).

I criteri di selezione includevano 1) temperature del giacimento comprese tra 175 e 225°C (abbastanza calde per dimostrare i concetti ma non così calde da impedire lo sviluppo tecnologico), 2) a profondità superiori a 1.5 km (abbastanza profonde da rendere fattibile lo sviluppo della tecnologia di perforazione) , 3) roccia a bassa permeabilità (granito presso il sito FORGE), 4) basso rischio di indurre sismicità durante le operazioni, 5) basso rischio ambientale e 6) nessun collegamento a un sistema geotermico convenzionale.

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La parte 2 proseguirà l'argomento affrontando le seguenti domande e risposte:

Q4. Qual è il progetto di base dei pozzi di iniezione e produzione?

Q5. Potresti riassumere bene i tre trattamenti con frac nell'iniezione e i loro risultati?

Q6. Qual è il potenziale per l'applicazione commerciale?