Um sistema geotérmico aprimorado usa tecnologia de petróleo e gás para extrair energia de baixo carbono. Parte 1.

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) financiou um projeto chamado FORGE onde rochas de granito quente serão perfuradas e fraturadas usando a melhor tecnologia de petróleo e gás. Um objetivo geral é ver se a água bombeada para um poço pode circular através do granito e aquecida antes de ser bombeada para um segundo poço para acionar turbinas que geram eletricidade.

John McLennan, do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Utah, é o co-investigador principal deste projeto DOE. Uma apresentação de webinar sobre este tópico foi patrocinada pela NSI em 6 de abril de 2022: FObservatório rontier para Pesquisa em Energia Geotérmica (FORGE): uma atualização e uma visão antecipada

A seguir estão as perguntas feitas a John McLennan e suas respostas.

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Q1. Você pode fornecer uma breve história da energia geotérmica?

Desde os primeiros trabalhos em Larderello na Itália, no início de 1900, a energia geotérmica (para geração elétrica e uso direto) expandiu-se para um capacidade de geração elétrica de 15.6 GWe (GigaWatts de eletricidade) em 2021. A utilização é global – mais de 25 países em todo o mundo. No entanto, a alocação ainda é uma pequena parcela do portfólio mundial de energia. Olhando para essa distribuição global, convencionalmente, a energia geotérmica é restrita à expressão próxima à superfície de temperatura elevada, como ocorreria perto dos limites das placas, vulcões, etc.

Os Estados Unidos têm a maior capacidade instalada de geração elétrica geotérmica, seguidos pela Indonésia, Filipinas, Turquia, Nova Zelândia, México, Itália, Quênia, Islândia e Japão. Dessas operações nos Estados Unidos, os poços que produzem energia geotérmica podem ter uma média de 4 a 6 MWe. Como regra geral, a 392°F (200°C) e fluindo a 9 bpm (378 gpm), na ordem de 1 MWe pode estar gerando, talvez atendendo de 759 a 1000 residências nos Estados Unidos.

As usinas geotérmicas variam em tamanho, de alguns poços (alguns produzindo até 50 MWe) a muitos poços. “Os Gêiseres, …, é o maior complexo de usinas geotérmicas do mundo. A Calpine, a maior produtora de energia geotérmica dos EUA, possui e opera 13 usinas de energia em The Geysers com capacidade de geração líquida de cerca de 725 megawatts de eletricidade – o suficiente para abastecer 725,000 casas ou uma cidade do tamanho de São Francisco.”

Q2. O que são sistemas geotérmicos aprimorados e onde o fracking é aplicado?

Cerca de cinquenta anos atrás, o conceito de Sistemas Geotérmicos Aprimorados (EGS) foi idealizado por cientistas e engenheiros do Los Alamos Scientific Laboratories (agora LANL). Naquela época, o conceito era conhecido como hot dry rock (HDR). Uma metodologia é perfurar um poço de injeção e um poço de produção e criar as fraturas que os interligam. Essas fraturas servem como trocadores de calor – muito parecido com o radiador de um automóvel.

A água é usada como fluido de trabalho neste sistema fechado (a água não é perdida). O fluido frio é injetado em um poço. Ele passa pelas fraturas e, ao fazê-lo, adquire calor da rocha quente. Este fluido quente é produzido na superfície através do segundo poço no gibão. Na superfície, o fluido aquecido pode ser vaporizado ou passar por uma planta orgânica de ciclo Rankine para acionar uma turbina e, posteriormente, um gerador. A água, com o calor retirado, é recirculada.

Embora seja uma boa ideia, o sucesso foi frustrado nos cinquenta anos desde sua concepção. Embora tenha havido vários projetos em todo o mundo, com sucesso científico, a comercialidade não foi alcançada e a geração elétrica nesses pilotos não ultrapassou ~ 1 MWe.

Nos EUA, no entanto, o recurso é significativo. No oeste dos Estados Unidos, as estimativas são de 519 GWe em profundidades de perfuração inferiores a 15,000 a 20,000 pés. A moderna tecnologia de perfuração, adaptada da indústria do petróleo, viabiliza essa perfuração. Junte isso a desenvolvimentos que permitem a perfuração de poços horizontais e a criação de uma multiplicidade de fraturas hidráulicas ao longo desses poços (imagine que cada fratura fornece uma área de superfície significativa para troca de calor) e os Sistemas Geotérmicos Aprimorados são viáveis.

A criação do sistema de fratura por fraturamento hidráulico é um elemento chave. Isso não é novo. Foi testado pela primeira vez para EGS no local de Fenton Hill, na Caldeira Jemez, no Novo México, durante os primeiros desenvolvimentos dos Laboratórios Nacionais de Los Alamos. É digno de nota, uma grande fratura hidráulica bombeada em dezembro de 1983 para tentar interligar dois poços (antes que a perfuração direcional moderna fosse prontamente aplicada). Nessa estimulação hidráulica, 5.7 milhões de galões de água com redutor de atrito adicionado foram bombeados a até 50 bpm (2100 galões por minuto) em pressões de fundo de poço de até cerca de 12,000 psi. Partículas finas de CaCO₃ foram adicionados para controle de perda de fluido (para simplificar o sistema de fratura).

As lições aprendidas com Fenton Hill, outros locais ao redor do mundo e tecnologias de outras indústrias de extração (perfuração inclinada e horizontal, fraturamento multiestágio) encorajaram o Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) a iniciar um programa de pesquisa renovado conhecido como FORGE (Frontier Observatory para Pesquisa em Energia Geotérmica) para construir um laboratório de campo para testar novas tecnologias que permitiriam a comercialização de EGS.

Q3. Conte-nos sobre o local do projeto FORGE em Utah e por que foi selecionado.

O DOE patrocinou uma competição entre cinco locais proeminentes da EGS nos Estados Unidos. Isso foi posteriormente “selecionado” para sites em Fallon, Nevada, e Milford, Utah. Em 2019, o local de Milford foi finalmente selecionado como o local do laboratório de campo FORGE (veja a imagem no topo da postagem).

Os critérios para seleção incluíram 1) temperaturas do reservatório entre 175 e 225°C (quente o suficiente para provar conceitos, mas não tão quente que impeça o desenvolvimento de tecnologia), 2) em profundidades superiores a 1.5 km (profundidade o suficiente para que o desenvolvimento de tecnologia de perfuração seja viável) , 3) rocha de baixa permeabilidade (granito no site FORGE), 4) baixo risco de indução de sismicidade durante as operações, 5) baixo risco ambiental e 6) nenhuma conexão com um sistema geotérmico convencional.

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A Parte 2 dará continuidade ao tópico abordando as seguintes perguntas e respostas:

Q4. Qual é o projeto básico dos poços de injeção e produção?

Q5. Você poderia resumir os três tratamentos de fratura no poço de injeção e seus resultados?

Q6. Qual é o potencial para aplicação comercial?