Electricity generation performance from low-grade heat in enhanced geothermal systems

French Title: Production d'électricité avec des systèmes géothermiques améliorés dans des régions où la ressource est à basse température

Marc-André Richard, Hydro-Québec, Laboratoire des technologies de l'énergie, Hydro-Québec Research Institute, Shawinigan, QC, Canada

Contact First Author: Marc-André Richard; richard.marc-andre@ireq.ca

Previously Published Material: Eastern Canada and the North East U.S., with typical average temperature gradients of less than 30 °C/km, will be low-grade resources for Enhanced Geothermal Systems (EGS). Geothermal electricity generation must cope with significant power plant cooling, geothermal fluid pumping and temperature drop in production wells. The negative impact of these aspects is even more important if the power conversion efficiency is low due to the low resource temperature. The production lifetime of conduction dominated geothermal reservoirs may also be problematic. To analyse the potential for a geothermal electricity generation system from low grade resources, we developed a tool that takes into account electrical plant gross efficiency, energy spent in cooling, pumping of the geothermal fluid and temperature drop in the production wells. To simulate the geothermal reservoir, we represent reservoir fracture systems by an equivalent equidistant fracture network that provides a numerical solution linking reservoir properties, fluid temperature at the exit of the reservoir and time. Then, we analysed the impact of the most important parameters and explored strategies for the optimisation of electric generation from low grade EGS resources. Different scenarios were analysed (optimistic, realistic, and pessimistic). The results suggest that the initial reservoir temperature should be at least 150°C. The power plant must also be able to tolerate a large geothermal fluid temperature drop through the system lifetime. It is suggested that although the power plant efficiency optimisation is important, the reservoir engineering is critical when accessing low grade heat.

Abstract ID#: 33475

 

English Abstract:
Eastern Canada and the North East U.S., with typical average temperature gradients of less than 30 °C/km, will be low-grade resources for enhanced geothermal systems (EGS). Geothermal electricity generation must cope with significant power plant cooling, geothermal fluid pumping and temperature drop in production wells. The negative impact of these aspects is even more important if the power conversion efficiency is low due to the low resource temperature. The production lifetime of conduction dominated geothermal reservoirs may also be problematic.

To analyse the potential for a geothermal electricity generation system from low grade resources, we developed a tool that takes into account electrical plant gross efficiency, energy spent in cooling, pumping of the geothermal fluid and temperature drop in the production wells. To simulate the geothermal reservoir, we represent reservoir fracture systems by an equivalent equidistant fracture network that provides a numerical solution linking reservoir properties, fluid temperature at the exit of the reservoir and time. Then, we analysed the impact of the most important parameters and explored strategies for the optimisation of electric generation from low grade EGS resources. Different scenarios were analysed (optimistic, realistic, and pessimistic). The results suggest that the initial reservoir temperature should be at least 150°C. The power plant must also be able to tolerate a large geothermal fluid temperature drop through the system lifetime. It is suggested that although the power plant efficiency optimisation is important, the reservoir engineering is critical when accessing low-grade heat.

French Abstract:
L’Est du Canada et le Nord-Est des États-Unis, avec des gradients de température moyens typiques inférieurs à 30 °/km, est une région où la ressource est considérée comme étant de faible qualité pour les systèmes géothermiques améliorés. La production d’électricité géothermique doit composer avec le refroidissement de la centrale, le pompage de fluide géothermique et la perte de chaleur dans les puits. L’impact négatif de ces éléments est encore plus important si l’efficacité de conversion de l’énergie est faible en raison de la faible température de la ressource. La durée de vie utile d’un réservoir géothermique où le transfert de chaleur est dominé par la conduction peut également être problématique.

Afin d’analyser le potentiel de la production d’électricité géothermique avec une ressource à basse température, nous avons développé un outil qui prend en compte de l’efficacité brute de la centrale, de l’énergie consommée pour le refroidissement de la centrale, de la baisse de température dans les puits de production et de l’énergie consommée pour le pompage du fluide géothermique. Pour simuler le réservoir géothermique, nous avons représenté le réseau de fractures par un système de fractures équidistantes équivalent, ce qui permet d’obtenir une solution numérique liant les propriétés du réservoir, la température du fluide à la sortie du réservoir et le temps. Nous avons ensuite analysé l’impact des paramètres les plus importants et exploré des stratégies d’optimisation de la production d’électricité à partir de ressources de faible qualité. Différents scénarios ont été étudiés (optimistes, réalistes et pessimistes). Les résultats suggèrent que la température initiale du réservoir doit être d’au moins 150 °C. La centrale électrique doit être capable de tolérer une grande baisse de température du fluide géothermique produit au cours de la durée de vie du système. Enfin, quoi que l’optimisation de l’efficacité de la centrale soit importante, l’ingénierie du réservoir géothermique est critique pour valoriser une ressource à faible température.

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