Thermodynamic optimization of downhole heat exchangers for geothermal power generation

Abstract

Geothermal reservoirs have various thermodynamic and physical properties. The heat extraction and power generation from the geothermal reservoirs depend on the reservoir properties. Downhole heat exchangers (DHEs) are designed to move the heat extraction process into the geothermal well. The working fluid is injected to the DHE which suspends in the geothermal well, heated by geothermal fluid and then returned to the surface through the inner pipe. DHEs have been used for heating purposes widely but there is no application for electricity generation. Because of the natural convection on the geothermal fluid side, convective heat transfer coefficient is low and simultaneously the heat extraction rate is low comparing with extracting geothermal fluid by downhole pumps. Therefore if the temperature is high but flowrate is low in a geothermal well, DHEs are good alternatives to harness the energy from that well. Considering the number of wells with abovementioned conditions in the World, there is a potential for electricity generation coupling geothermal power plants with DHEs. The main purpose of the Thesis is to develop a thermodynamic and economic evaluation model of DHEs for power generation and to examine the feasibility of the model. The thermodynamic model is developed by EES software and over 300 simulations have been conducted to identify the effects of the insulation, geothermal well conditions, geometry of DHE, mass flowrate and the type of working fluids to the performance of DHE system. The economic analyses are conducted to evaluate the thermodynamic results regarding the economic consideration such as Net Present Value (NPV), simple payback time and electricity production rate. The results show that the insulation on the inner pipe is desirable to prevent heat loss along DHEs. The best design of the DHE is a design with deeper the depth, larger the diameter of the inner pipe, and higher mass flowrate for a specific geothermal heat source. The best design for the case study resulted as a work output of 3152 kW with annual net revenue and payback time of $1.75 million and 2.24 years, respectively. Besides, the economic evaluation gives positive value for NPV which means investment in DHE for geothermal power generation is acceptable.

Jeotermal rezervuarlar çeşitli termodinamik ve fiziksel özelliklere sahiptirler. Jeotermal akışkanın üretildiği rezervuarlardan alınabilen/aktarılabilen ısı miktarı ve bu ısıdan üretilen elektrik enerjisi miktarı rezervuar özelliklerine bağlıdır. Kuyu içi ısı değiştirgeçleri (KİID), jeotermal akışkandan ısı alımı/aktarımı işlemini kuyu içinde yapar. Kuyu içine indirilen farklı konfigürasyonlardaki borulardan oluşan KİIDne çalışma akışkanı gönderilir, bu akışkan jeotermal akışkan tarafından ısıtılır ve yüzeye geri dönerek ısıtma yada elektrik üretimi uygulamalarında kullanılabilir. Mevcut uygulamalar ısıtma uygulamaları olup herhangi bir elektrik üretimi uygulaması mevcut değildir. KİID uygulamalarında, kuyu içinde akış olmadığı için taşınım ile ısı transferi katsayısı düşüktür, bu nedenle çalışma akışkanına aktarılan ısı miktarı da kuyu içi pompa uygulamaları ile karşılaştırıldığında düşüktür. Dolayısı ile KİIDleri yüksek sıcaklıklı fakat düşük debili kuyulardan ısı alımı/aktarımı için iyi bir alternatiftir. Dünya’da mevcut bu özellikteki kuyular dikkate alındığında jeotermal santrallerin KİIDleri ile birlikte kullanımı elektrik üretimi için iyi bir potansiyeldir. Tezin amacı, KİIDnin elektrik üretiminde kullanımı için termodinamik ve ekonomik bir model geliştirmektir. Termodinamik model EES yazılımında geliştirilmiş, geliştirilen termodinamik model üzerinde; boru yalıtımı, jeotermal kuyu özellikleri, KİID geometrisi, debi ve çeşitli çalışma akışkanlarının KİID performansına etkilerini belirlemek için 300’den fazla simülasyon gerçekleştirilmiştir. Termodinamik analiz sonuçları; net şimdiki değer, basit geri dönüş süresi ve elektrik üretim maliyeti gibi ekonomik parametreler için de analiz edilmiştir. Çalışmanın sonuçlarından biri KİID geri dönüş borusu üzerinde yalıtımın; ısı kaybı, dolayısı ile de çalışma akışkanı sıcaklığının düşümü açısında hayati olduğudur. Jeotermal akışkandan maximum ısı alımı için KİID tasarımında en uzun derinlik, en geniş iç boru ve en yüksek debi seçilmelidir. Örnek kuyu koşullarında simülasyonlar sonucu elde edilen en iyi durumda net iş üretimi 3152 kW, yıllık net geliri ve geri ödeme süresi sırasıyla 1.75 milyon dolar ve 2.24 yıldır. Ekonomik analiz sonucu, net bugünkü değer pozitif olduğundan, jeotermal elektrik üretimi için KİID yatırımı kabul edilebilir anlamına gelmektedir.