Bir Jeotermal Rezervuarın Birimleştirilmiş Ve Rekabetçi Yararlanma Koşulları Altındaki Performansı

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2015-11-26
Yazarlar
Salia, Suleman
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science And Technology
Özet
Nüfus artışı ve yükselen yaşam standartları enerji talebine olan artışın yönlendirici unsuru iki olmayı sürdürmektedirler.  Bu talebin karşılanmasına yönelik olarak enerji kaynaklarının çeşitlendirilmesinde teknolojideki ilerlemelerin can alıcı önemi olduğu kadar, var olan kaynakların kapasitelerinin etkin geliştirilmesinde uygun yönetim stratejilerinin uyarlanması gerekli olabilir. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak sınıflandırılan jeotermal enerji, bu arayış içinde yaşamsal bir rol oynamaktadır; çünki sistem üretim düzeylerini uzun dönemler boyunca koruyabilmektedir.  Eldeki kaynağın özelik ve niteliklerine göre ortalama olarak nitelenebilecek çekiş debileri ile üretim düzeyinin korunması ve üretimin uzun ömürlü olması sağlanabilir. Bir jeotermal rezervuar doğası gereği bölünemez ve böyle bir rezervuar üzerinde farklı işletilen komşu ruhsatların kuralsız geliştirilmeleri yararlanılan kaynağın fiziksel ziyanı, ekonomik zarar, çevresel sorunlar ve etkinlikten uzak kaynak yönetimi ile sonuçlanır. Bu sorunun üstesinden gelmek için öne sürülen çözüm, birimleştirmedir. Birimleştirme, aynı rezervuar üzerinde yer alan ayrı ruhsatların işletme payı sahiplerinin kaynağı gönüllü veya gönülsüz bir antlaşma ile, paylaşımcı ve eşgüdümlü bir oluşum halinde, belirlenmiş bir işletmeci aracılığı ile kullanmaları ve işletmeleri olarak tanımlanır. Bu tez çalışmasının amacı, farklı rezervuar sıcaklıklarına sahip iki ruhsatın rekabetçi ve paylaşımcı işletim koşulları altında 20 MW güç üretebilmeleri için en uygun biçimde geliştirilmelerini tasarlamak üzere, zamana bağımlı üretim koşullarında rezervuarın davranışını ortaya koymaktır.  Bu çalışma iki aşamayı kapsamaktadır. Birinci aşama, rekabetçi ve paylaşımcı yararlanma planları için zamana bağlı olarak yapılan üretimde rezervuar davranışını karşılaştırma üzerinde durmaktadır.  Burada, rezervuarın basıncı ve sıcaklığı analizin kıstaslarıdır.  İkinci aşama ise, proje yaşamı boyunca durağan bir elektrik üretim kapasitesi varsayımı ile, iki ruhsat tarafından paylaşılan bir rezervuarın gerektiği gibi geliştirilmesine yaklaşım tasarımı üzerinedir. Boyutsuz LP (lumped parameter) modellemesi, bir jeotermal sistemden akışkan çekilmesi ile sistemin gösterdiği basınç davranışını yansıtmak için de kullanılan çözümsel (analitik) bir tekniktir.  Bu modellemede eşısıl (izotermal) olmayan tank modelinin araç olarak seçilmesiyle, rezervuar ve beslenme sıcaklıkları arasındaki belirgin farklara bağımlı dikkate değer sıcaklık değişimleri, enjeksiyon işlemleri sonucu olan değişimler ve rezervuar sıcaklığında akışkan üretiminden kaynaklanan düşüş açıklanabilmektedir. Durağan elektrik üretimi için iki ruhsatın rekabetçi ve paylaşımcı yönetim koşulları altında, üretilen akışkanın geri basılması da dikkate alınarak, akışkan üretimi ve zamana göre rezervuarın basınç ve sıcaklık davranışını araştırmak üzere, bir tank ve iki tank modellerini içeren üç hipotetik durum önerilmiş ve analiz edilmiştir.  Bu durumlar (a) Durum 1: iki ruhsatlı rekabetçi yaklaşım, (b) Durum 2: birimleştirilmiş iki ruhsatlı paylaşımcı yaklaşım, (c) Durum 3: birimleştirilmiş iki ruhsatlı paylaşımcı yaklaşım (bir ruhsatta üretim ve diğer ruhsatta geri basma) olarak belirlenmiştir. Bu çalışmadaki varsayımlar, (i) her iki ruhsat için de keyfi olarak seçilmiş kayaç ve akışkan özelikleri, (ii) çift-çevrim (binary cycle) güç santrallarından durağan elektrik üretimi, (iii) rezervuar sıcaklığı farklı ve rekabetçi her bir ruhsat üzerine kurulmuş, 10 MWe elektrik üretim kapasiteli bir çift-çevrim güç santralı; veya birimleştirilmiş ruhsatlar üzerine kurulmuş 20 MWe elektrik üretim kapasiteli bir çift-çevrim güç santralı, (iv) beslenme kaynağı (akifer) ve bağlı olduğu Ruhsat 1 altındaki rezervuar kesiminin sıcaklıkları tüm durumlarda eşit ve 180°C, (v) Ruhsat 2 altında bulunan rezervuar parçasının sıcaklığı 160°C, ve (vi) proje tasarım ömrü tüm durumlar için 10,000 gün ile sınırlı olarak sıralanmaktadır. Bu tezin anlamlılığı, işletme payı sahipleri farklı iki komşu ruhsatın yararlandığı bir rezervuar için en uygun geliştirme yaklaşımının seçiminde vurgulanmıştır.  Dikkate alınan tüm durumlar ortalama rezervuar basıncı, ortalama rezervuar sıcaklığı, üretilen net ısı ve güç santralının ısıl verimindeki değişimler bakımından değerlendirilmiştir. İrdelenen üç durumdan üçüncüsü olan, üretimin Ruhsat 1’den ve geri basımın Ruhsat 2’den yapıldığı birimleştirme yaklaşımı, elektrik üretimi amacıyla 20 MWe kapasiteli çift çevrim santralının beslenebilmesi için istenen işletim şekli olduğu bulunmuştur.  Bu durumun en başarılı işlemesinin nedeni, en uygun kuyu planlanmasının kapsamlı ve tümleşik verilerle ve bunların iyi eşgüdümü ve bilgilerine dayalı teknik kararlarla yapılmasıdır.  Sıcak akışkan bölgeleri üretim için belirlenir ve geri basım kuyularının konuşlanacağı daha serin kesimlerden gayet iyi ayrılabilir.  Kuyuları uygun yerlere konuşlandırmanın amacı en verimli ve sürdürülebilir enerji üretimidir.  Ruhsat 1’in altındaki rezervuar kesimi Ruhsat 2’de bulunan geri basım kuyusundan çok uzaktaki besleme kaynağına doğrudan bağlantılı olduğundan, üretilen akışkanların yerine gerekli debide olan dolum ortalama rezervuar basıncının yüksek kalmasını sağlar.  Ruhsat 2 içinde geri basım kuyularının üretim kuyularından güvenli bir uzaklıkta konuşlanmasıyla, sıcak su kesiminin sıcaklığı denetim altında tutulur.  Dolayısı ile, geri basılan akışkan Ruhsat 2 altındaki rezervuar kesimi boyunca kanallaşıp, sonsuz boyuttaki besleme kaynağından (akiferden) giren sıcak akışkandan yararlanan Ruhsat 1 altındaki rezervuar kesiminin sıcaklığında olası en düşük azalmayı güvence altına aldığından, net ısı üretimi çok olumlu düzeyde olur.  Ayrıca Durum 3, tasarım ömrü sonuna kadar çift çevrim santralının ısıl veriminde en düşük azalmayı yaşar. Sonuç olarak söylenebilir ki, komşu ruhsat sahiplerinin sahanın, jeotermal enerjinin, jeotermal suları çevreleyen herhangi bir ısı veya enerji kaynağının ve ekosistemin birimleştirilmiş yönetim ile paydaşlar için olası en büyük yararı türetmek ve toplum çıkarlarını korumak üzere, paylaşımcı bir strateji içinde birlikte hareket etmeleri için cesaretlendirilmeli veya buna zorlanmalıdırlar.
Population growth and rising living standards remain as two of the key drivers for the increase of energy demand. Towards meeting such demand, as the technological advancements are crucial for diversifying energy sources, the adoptation of proper management strategies might be necessary for the efficient capacity development in existing sources. Geothermal energy, classified as a renewable energy resource is playing a vital role in this pursuit because the production system is able to sustain production levels over long periods. The longevity of production can be secured and sustainable production can be achieved, by using moderate withdrawal rates, while considering the local resource characteristics. A geothermal reservoir is indivisible by nature and so unregulated development of straddled leases overlying a reservoir, results in physical waste and under-utilization of resource, economic waste, environmental hazards, and inefficient resource management. The solution put forward to tackle this problem is unitization, which is defined as the voluntary or involuntary agreement by working interest owners of separate leases overlying the same reservoir to exploit and operate the resource as a cooperative and coordinated joint body under a designated operator. This concept delivers sustainable and efficient resource management, economic opportunities, and environmental benefits. The objective of this thesis concerns reservoir behaviour under production with time, where two leases of different reservoir temperatures are operated under competitive and cooperative development strategies, and coming out with the optimum development design to generate 20 MWe power. The study incorporates two stages. The first stage dwells on the comparison of reservoir behaviour under production with respect to time for competitive and cooperative utilization schemes. Reservoir pressure and reservoir temperature are the benchmarks for the analysis. The second stage is about the design of the appropriate development approach for a reservoir shared by two leases, assuming a constant electricity generation capacity throughout the project life. The lumped parameter modelling is an analytical technique used for projecting the pressure response of a geothermal system to extraction. Non-isothermal tank model is selected as the tool to account for significant temperature changes associated with marked differences between recharge temperature and reservoir temperature, variations resulting from injection operations, and decrease in reservoir temperature due to production of fluids. Three hypothetical cases of one-tank and two-tank models are proposed and analysed to study reservoir pressure and reservoir temperature behaviour relative to fluid production and time, with reinjection, under competitive and cooperative management of the two leases for constant electricity generation. The cases are set as, (a) Case 1: competitive approach with two leases, (b) Case 2: cooperative approach with unitized two leases, (c) Case 3: cooperative approach with unitized two leases (production in one lease and reinjection in other lease). The assumptions made in this study are, (i) arbitrarily chosen reservoir rock and fluid properties in both leases, (ii) constant electricity generation from binary power plants, (iii) a binary power plant with 10 MWe electricity generation capacity is installed on each competitive geothermal lease of different reservoir temperatures; or a binary power plant with 20 MWe electricity generation capacity is installed on the unitized leases, (iv) temperature of the recharge (aquifer) and its connected Lease 1 are equal at 180°C in all cases, (v) reservoir temperature in Lease 2 is 160°C, and (vi) project design life is limited to 10,000 days for all cases. The significance of this thesis is emphasized on selection of the most suitable development approach for a reservoir utilized by two straddled leases of different working interest owners. All the cases are evaluated in terms of the variation in average reservoir pressure, average reservoir temperature, net heat produced, and thermal efficiency of the power plant.  Out of the three cases investigated the unitized approach, in which production is from Lease 1 and reinjection in Lease 2, is found to be the desired mode of operation to feed the 20 MWe capacity binary plant for the purpose of electricity generation. This case works best, because of well coordinated and informed technical decisions on appropriate well planning, based on extensive integrated data. Hot fluid zones are identified for production and are well separated from cooler regions, in which reinjection wells are to be located. The purpose of proper location of wells is to achieve the most efficient and sustainable energy production. As the reservoir section under Lease 1 is directly connected to the recharge source, from which the reinjection well is located far away in Lease 2, replenishment of produced fluids is at an adequate rate ensuring high average reservoir pressure. Locating the reinjection wells at a safe distance from the production wells in Lease 2, the temperature of the hot water zone is kept under control.  Thus, the net heat produced would be very favourable, since the reinjected fluid is channelled through the reservoir section under Lease 2 to ensure minimal drop in temperature of the reservoir section under Lease 1, which enjoys hot liquid influx from the infinite size recharge source (aquifer). Case 3 also experiences the least drop in thermal efficiency of the binary power plant by the end of the design life. It can be concluded that the owners of straddled leases should be encouraged or imposed on to act in a cooperative strategy for an unitized management of land, geothermal energy, any heat or energy source surrounding the geothermal waters, and ecosystem to derive maximum benefits for all stakeholders and safeguard public interests.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015
Anahtar kelimeler
Jeotermal enerji; Yenilenebilir enerji kaynakları; Sürdürebilir enerji, Geothermal energy; Renewable energy resources; Sustainable energy
Alıntı