+ All Categories
Home > Documents > introduction to Enhanced Geothermal Systems

introduction to Enhanced Geothermal Systems

Date post: 28-Mar-2016
Category:
Upload: dh-strongheart
View: 234 times
Download: 4 times
Share this document with a friend
Description:
An introduction to enhanced geothermal systems
Popular Tags:
5
D.H. Strongheart Sustainable Energy Technologies Dr. Stephen Wust October 26, 2010 Enhanced Geothermal Systems—or Hot, Dry Rock—as a Sustainable Source of Energy in the United States Introduction Geothermal energy 1 production in the United States has advanced at a rapid rate. The geothermal industry currently has 3086.6 MW of total installed capacity in the U.S., with an additional 7057.26 MW of new capacity currently under development (Jennejohn, 2010). The geothermal industry promises to comprise a significant portion of the U.S.’s renewable energy profile, though after about 30 years of exploration, the estimates of total developmental potential have not increased. (USDOE, 2008). This is an indication of the relative scarcity of potential sites appropriate for traditional geothermal energy production. As a recent U.S. Department of Energy report states, “The natural hydrothermal resource is ultimately dependent on the coincidence of substantial amounts of heat, fluids, and permeability in reservoirs, and the present state of knowledge suggests that this coincidence is not commonplace in the earth” (USDOE, 2008). Thus, the potential for traditional geothermal energy sources to meet the U.S. demand for electricity generation is greatly limited by geographic and geologic factors. However, the most abundant type of geothermal energy available, and perhaps the most environmentally sound, remains largely unexplored and unfunded. Enhanced—or Engineered—Geothermal Systems (EGS) involves the creation of an artificial, or controlled, hydrothermal reservoir, and can be implemented virtually anywhere in the world where a moderate amount of geothermal heat energy exists. EGS Technology and Production Potential The first EGS research well was drilled at Fenton Hill in Los Alamos, NM in 1974. A second, and more successful well, was drilled at the same site in 1981. The origins of the “Hot‐Dry Rock Geothermal” concept, as it was then called, is in the research of former Los Alamos National Laboratory (LANL) chemist Bob Potter (USDOE, 2010). Potter’s concept (see figure 1) was based on the notion that naturally‐occurring heat in the earth’s crust could be utilized at virtually any depth, by drilling a pair of wells and injecting them with pressurized water. The fluid pressure is used to open and propagate the fractures from an initial well, which creates artificial permeability in the rock (MIT, 1991). This highly permeable well is connected to a second well, which becomes the “production well”, while the first 1 In this paper, the term “geothermal energy” refers exclusively to hydrothermal energy production, which is the primary source of industrial geothermal generation in the U.S. Direct utilization of geothermal energy for heating, which does not necessitate a heat pump or power plant, is not included.
Transcript
Page 1: introduction to Enhanced Geothermal Systems

D.H. Strongheart Sustainable Energy Technologies Dr. Stephen Wust October 26, 2010  

Enhanced Geothermal Systems—or Hot, Dry Rock—as a Sustainable Source of Energy in the United States 

 Introduction 

Geothermal energy1 production in the United States has advanced at a rapid rate. The geothermal industry currently has 3086.6 MW of total installed capacity in the  U.S.,  with  an  additional  7057.26  MW  of  new  capacity  currently  under development  (Jennejohn,  2010).  The  geothermal  industry  promises  to  comprise  a significant  portion  of  the  U.S.’s  renewable  energy  profile,  though  after  about  30 years  of  exploration,  the  estimates  of  total  developmental  potential  have  not increased. (USDOE, 2008). This  is an  indication of  the relative scarcity of potential sites  appropriate  for  traditional  geothermal  energy  production.  As  a  recent  U.S. Department  of  Energy  report  states,  “The  natural  hydrothermal  resource  is ultimately dependent on the coincidence of substantial amounts of heat, fluids, and permeability  in  reservoirs,  and  the  present  state  of  knowledge  suggests  that  this coincidence is not commonplace in the earth” (USDOE, 2008).    Thus, the potential for traditional geothermal energy sources to meet the U.S. demand  for  electricity  generation  is  greatly  limited  by  geographic  and  geologic factors.  However,  the  most  abundant  type  of  geothermal  energy  available,  and perhaps  the  most  environmentally  sound,  remains  largely  unexplored  and unfunded.  Enhanced—or  Engineered—Geothermal  Systems  (EGS)  involves  the creation  of  an  artificial,  or  controlled,  hydrothermal  reservoir,  and  can  be implemented  virtually  anywhere  in  the  world  where  a  moderate  amount  of geothermal heat energy exists.   EGS Technology and Production Potential   The  first EGS research well was drilled at Fenton Hill  in Los Alamos, NM in 1974. A second, and more successful well, was drilled at the same site in 1981. The origins  of  the  “Hot‐Dry Rock Geothermal”  concept,  as  it was  then  called,  is  in  the research  of  former  Los  Alamos  National  Laboratory  (LANL)  chemist  Bob  Potter (USDOE,  2010).  Potter’s  concept  (see  figure  1)  was  based  on  the  notion  that naturally‐occurring heat in the earth’s crust could be utilized at virtually any depth, by  drilling  a  pair  of  wells  and  injecting  them  with  pressurized  water.  The  fluid pressure  is  used  to  open  and  propagate  the  fractures  from  an  initial  well,  which creates artificial permeability in the rock (MIT, 1991). This highly permeable well is connected  to  a  second well,  which  becomes  the  “production well”,  while  the  first 

                                                        1 In this paper, the term “geothermal energy” refers exclusively to hydrothermal energy production, which  is  the  primary  source  of  industrial  geothermal  generation  in  the  U.S.  Direct  utilization  of geothermal  energy  for  heating,  which  does  not  necessitate  a  heat  pump  or  power  plant,  is  not included.  

Page 2: introduction to Enhanced Geothermal Systems

well is use as the “injection well”. Water is circulated from the surface, gaining heat as it passes through the fractured rock network of the injection well (See figure 2). The  heated water  returns  to  the  surface  through  the  production well,  and  passes through an appropriately designed power plant (See figure 3)(MIT, 1991).       

  

In theory, the EGS system envisioned by Potter should operate as a closed‐loop system, with no emissions of Green‐House‐Gasses other than water vapor and only minimal need for additional water input, since the initial influx of pressurized water can be cooled and reintroduced to the well. After decades of research and development work at the Fenton Hill EGS site, there is significant indication that EGS is a viable option for large‐scale energy production in the U.S. and around the world. Similar pilot projects have been inaugurated in England and in California, with similarly optimistic results regarding the energy production potential of EGS.  

There is also ample recognition of the versatility of EGS technology. Where geothermal resources are minimal—i.e., less geothermal heat—ESG technology can be used in tandem with existing, fossil fuel‐based electricity production facilities, and can result in a 15% reduction in GHG emissions (MIT, 1991). Existing EGS production plants can easily be scaled‐up, with each additional set of parallel wells enhancing production capacity. The EGS system can even utilize urban sewer treatment plant effluents as pressurized fluid, and can produce potable water from the latter. 

Figure 1. Bob Potter’s original proposal for the Hot‐Dry Rock geothermal energy system.  Image from U.S. Department of Energy’s History of Geothermal Energy and Research and Development in the United States: Reservoir Engineering. Available from http://www1.eere.energy.gov/library/default.aspx?page=4 

Page 3: introduction to Enhanced Geothermal Systems

 Figure 2. From U.S. DOE electronic document, The Basics of Enhanced Geothermal Systems. 

Available at http://www1.eere.energy.gov/library/resultssearch.aspx.   

 Recent  reports  from  MIT  (MIT,  2006)  and  the  U.S.  Department  of  Energy 

(USDOE,  2008)  indicate  that,  with  sufficient  investment  in  EGS  over  the  next  15 years,  EGS  production  plants  could  easily  comprise  100,000MW  of  competitively­priced electricity generation in the U.S. by 2050. In fact, 100,000MW is the low end of a conservative estimate, based on 2% recovery rate of geothermal energy (MIT, 2006).  While  there  is  not  enough  data  from  long‐term  EGS  operation  to  make  a precise  estimate  regarding  a  likely  recovery  rate,  a  period  of  record  of  several decades  from  a  geothermal  field  in  northern  California  know  as  “The  Geysers” suggests that even a 10% recovery rate might be conservative (DOE, 2008).    Challenges for ESG Electricity Production   In  order  for  Enhanced  Geothermal  System  technology  to  join  the  ranks  of wind and solar energy as a major source of sustainable energy in the U.S., a number of challenges will need to be overcome in the years ahead.   Technological Readiness   Even though EGS test fields have been in operation for nearly 40 years, they have not been numerous or well‐funded enough to allow for the refinement of EGS technology to be ready for the industrial scale production of energy. The Geothermal Technologies  Program  of  the  U.S.  Department  of  Energy  aims  at  “achieving  EGS technology readiness by 2015”. (http://www1.eere.energy.gov/geothermal/).  Economic Viability A great amount of data regarding EGS power plant operation under a variety of  

Page 4: introduction to Enhanced Geothermal Systems

 Figure 3. From The Future of Geothermal Energy, MIT Press, 2006. Available at 

http://www1.eere.energy.gov/geothermal/future_geothermal.html.   

different  conditions  and  in  a  variety  of  locations  is  still  needed  before  robust economic  forecasts  can  be  made  about  the  economics  of  EGS  energy  production. Depending  on  the  geology  of  a  potential  EGS  site,  water  losses  during  reservoir operation may be higher or  lower  than  the median  figure of 2% given  in a  recent study (MIT, 2006), and higher water losses would significantly increase the price of an  EGS  plant’s  operation.  Economic  forecasts  for  the  future  of  EGS  can  become encouraging if the forecast assumes uncertainties such as ample investment and the future introduction of carbon taxes on currently dominant fossil  fuel‐based energy production practices.  Water Losses and Seismic Constraints   In order to achieve steady‐state production of energy, water must be injected into an EGS well at a steady rate and at a minimum pressure. As the pressure of the injective water  increases,  existing  fissures  in  the  rock  can  be widened,  increasing the  rate of water  loss.  If  current practices  are not  refined  to minimize water  loss, EGS  technology  could  have  a  negative  impact  on  scarce  water  resources  in  the Western U.S., which is precisely where the implementation of EGS technology is best suited. The injection of pressurized water into wells for EGS systems is also known to  induce  micro  seismic  activity.  While  no  significant  earthquakes  have  resulted from  the  operation  of  EGS  systems,  it  remains  an  uncertainty  in  the  long‐term viability of EGS technology.  Insufficient Data   Perhaps the most significant hindrance to the progress of EGS technology is the  lack  of  sufficient  data  of  the  long‐term,  steady  state  operation  of  EGS  power plants. If EGS is to gain momentum in the sustainable energy portfolio of the United 

Page 5: introduction to Enhanced Geothermal Systems

States, it will require significant investment in the coming years. Investors, however, are  hesitant  to  commit  to  EGS  without  ample  evidence  that  it  is  a  safe  and economically viable energy production  technology. Because  there are only a  small handful  of  EGS  test  plants  in  operation  in  the world  today,  data  accumulates  at  a very  slow  rate,  and  it  is  thus  difficult  to  draw  concrete,  broad‐based  conclusions about EGS technology.   Conclusion   On  paper,  Enhanced  Geothermal  Systems  technology  is  a  very  promising possibility for sustainable energy production in the U.S. and around the world. In the literature,  one  often  encounters  impressive  facts  and  figures  suggesting  that  EGS could provide a virtually endless supply of energy to the U.S. for centuries to come (DOE, 2008; MIT, 1991). However,  in  lieu of a sufficiently  long period of record of the steady state operation of EGS power plants, and in lieu of a sufficient number of test  facilities  in  a  sufficiently  varied  geographical  area,  recent  studies  have  been forced to make conservative estimates regarding EGS’s potential contribution to the sustainable  energy  portfolio  in  the  U.S.  It  appears  certain  that,  if  EGS  receives  a significant investment from both the private and public sector, it will soon arrive on the scene as a major source for sustainable energy production around the world.   References Tester,  Jefferson W., Wood,  David O.,  and  Ferrari,  Nancy  A.,  1991. Energy  and  the Environment in the 21st Century. Cambridge, Massachusetts: MIT Press.   Brown, D.W. et al. Hot Dry Rock Geothermal Energy—An Emerging Energy Resource with  Large Worldwide  Potential.  Found  in:  Jennejohn,  Dan,  2010. U.S.  Geothermal Power  Production  and  Development  Update.  Geothermal  Energy  Association. Available from http://www.geo‐energy.org/ (Accessed October 27, 2010).   DOE/United  States  Department  of  Energy,  2010.  A  History  of  Geothermal  Energy Research  and  Development  in  the  United  States:  Reservoir  Engineering  1976­2006. Available  from  http://www1.eere.energy.gov/library/default.aspx?page=4 (Accessed October 27, 2010).   DOE/  United  States  Department  of  Energy,  2008.  An  Evaluation  of  Enhanced Geothermal  Systems  Technology.  Available  from http://www1.eere.energy.gov/library/resultssearch.aspx?Page=4.  (Accessed October 27, 2010).  DOE/  United  States  Department  of  Energy.  The  Basics  of  Enhanced  Geothermal Systems. Available from http://www1.eere.energy.gov/library/default.aspx?page=4. (Accessed October 27, 2010).   MIT/Massachusetts Institute of Technology, 2006. The Future of Geothermal Energy: Impact  of  Enhanced  Geothermal  Systems  (EGS)  on  the  United  States  in  the  21st Century. Available from http://geothermal.inel.gov. (Accessed October 27, 2010).  


Recommended