Konceptualni model eksploatacije geotermalne energije revitalizacijom napuštenih naftnih i plinskih bušotina u kontinentalnom dijelu Republike Hrvatske

doctoral thesis

• Title: Konceptualni model eksploatacije geotermalne energije revitalizacijom napuštenih naftnih i plinskih bušotina u kontinentalnom dijelu Republike Hrvatske : doktorski rad
• Title (english): A conceptual model of exploitation of geothermal energy by revitalization of abandoned oil and gas wells in the continental part of the Republic of Croatia : doctoral thesis
• Author: Marija Macenić
• Mentor: Tomislav Kurevija (mentor)
• Committee member: Daria Karasalihović-Sedlar (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Borivoje Pašić (član povjerenstva)
• Committee member: Staša Borović (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mining, Geology and Petroleum Engineering; Zagreb
• Defense date and country: 2020-05-08, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mining, Petroleum and Geology Engineering
• Universal decimal classification (UDC): 622 - Mining

Abstract

Na području kontinentalnog dijela Republike Hrvatske (RH) postoji značajan broj napuštenih bušotina, a s obzirom na predviđeno smanjenje pridobivanja nafte i plina, broj privremeno napuštenih bušotina će se u budućnosti povećavati. Kao alternativa skupom procesu napuštanja, privremeno napuštene bušotine je moguće revitalizirati ugradnjom dubokih
koaksijalnih bušotinskih izmjenjivača topline i koristiti kao toplinski izvor. Koaksijalni bušotinski izmjenjivači sastoje se od vanjske (kolona zaštitnih cijevi) i unutarnje cijevi (tubing) kroz koji voda kao radni fluid cirkulira prstenastim prostorom i samim tubingom. Prijelaz toplinske energije sa stijenske mase na cirkulirajući fluid odvija se preko vanjske cijevi izmjenjivača, bez obzira na postavljeni smjer protjecanja. Analiza potencijala dostupne
toplinske energije upotrebom dubokih izmjenjivača topline provedena je prema dva tipična načina potrebna na strani korisnika toplinske energije: konstantan i varijabilan. Konstantna opterećenja podrazumijevaju potrebu za toplinskom energijom u konstantnom iznosu kroz cijelu godinu rada. Varijabilna opterećenja su ovisna o vanjskim klimatskim uvjetima i prate potrebe za toplinskom energijom unutar sezone grijanja. Na strani korisnika dvije su mogućnosti korištenja toplinske energije: drektno (bušotinski izmjenjivač - pločasti izmjenjivač - korisnik) i pomoću dizalica topline (bušotinski izmjenjivač - pločasti izmjenjivač - dizalica topline - korisnik). Rezultati pokazuju povoljne vrijednosti dostupne toplinske energije za konstantna i varijabilna opterećenja kod oba slučaja korištenja toplinske energije na strani korisnika. S obzirom na to provedena je prva procjena dostupne toplinske energije za različite dubine, protoke i geotermalne gradijente korištenjem dubokih koaksijalnih bušotinskih izmjenjivača na području kontinentalne RH. Analiza protoka i pada tlaka u izmenjivaču pokazala je da postoje ograničenja kod realnih sustava, na koje je prilikom projektiranja potrebno obratiti pozornost. Određen je faktor iskoristivosti (tzv. SPF faktor) dubokih bušotinskih izmjenjivača koji ukazuje na omjer uložene električne energije potrebne za rad cirkulacijske pumpe i dostupne toplinske energije iz bušotinskog izmjenivača. Analiza odnosa SPF faktora i dostupne toplinske energije pokazuje da porastom SPF faktora raste i postotak
uštede u odnosu na konvencionalne sustave. Da bi se utvrdila korisnost dubokih bušotinskih izmenjivača izrađen je model ekonomske analize u odnosu na klasični plinski energent. Prednost direktnog korištenja toplinske energije može se opravdati visokim iznosom uštede u odnosu na sustav koji koristi dizalice topline. Korištenjem dizalica topline omogućena je veća energetska iskoristivost toplinske energije sadržane u cirkulirajućem fluidu. Analiza emisija ugljikovog dioksida provedena je u usporedbi s tri konvencionalna energenta za grijanje. Usporedbom količina emisija CO2 predloženog sustava i konvencionalnih energenata pokazalo se da su emisije kod konvencionalnih sustava 3 - 5,5 puta veće. Drugim riječima, revitalizacijom dubokih bušotina i korištenjem geotermalne energije
može se ostvariti značajno smanjenje u emisijama stakleničkih plinova, poglavito ugljikovog dioksida, u odnosu na tipične energente koji se koriste na području kontinentalne RH. Kako je dugoročnom Europske unije i novom Strategijom energetskog razvitka Republike Hrvatske predviđeno smanjenje emisija stakleničkih plinova, povećanje energetske učinkovitosti i neovisnosti, revitalizacija napuštenih bušotina pruža jedno od rješenja u postizanju navedenih ciljeva.

Abstract (english)

In the continental part of Croatia there is a significant number of abandoned oil, gas and exploratory wells. With further decline in oil and gas production the number of temporary abandoned wells is expected to rise. As an alternative to an expensive process of abandoning the wells, they can be revitalized by converting them to deep coaxial borehole heat exchangers (DCHE) and use the geothermal heat contained in the rock as a heat source. Coaxial heat exchangers are comprised of outer (casing) and inner (tubing) pipes, through which the water, as a working fluid, is being circulated. The circulation of the working fluid is achieved through a circulation pump. The heat transfer from the source rock is through outer pipes onto the circulating fluid, regardless of the fluid direction. There are two main variants of using the available heat, with constant load or variable load. The constant heat load requires the same, constant amount of heat throughout the year. Variable loads are climate dependant, and are used within the heating season. When it comes to the technical options of heating systems there are also two possibilities direct (borehole heat exchanger-plate heat exchanger-user) and with heat pumps (borehole heat exchanger-plate heat exchanger-heat pump-user). The results of constant and variable modelling (with both technical solutions) show very good potential in available heating energy when using DCHE. The first estimate was done in this work by alternating borehole depth, fluid flow and geothermal gradients. The analysis of the fluid flow and pressure drop in the DCHE showed some limitations for real systems. These limitations have to be taken into account when designing the entire system. In order to determine the efficiency of the deep borehole heat exchangers themselves, the so called SPF factor is determined, as a ratio of electricity (used for circulating pump) and available heating energy. The analysis showed that with the increase of the SPF there is an increase in savings when compared to gas, as a classic energy source. The advantage of direct heating is seen in higher percentage of savings, when compared to system with heat pump (lower operational cost). However, the use of heat pumps gives higher available heating energy. The analysis of the CO2 emissions showed significant savings, when compared to three classic heating energy sources used in Croatia for heating purposes, from 3 up to 5,5 times. Therefore, by revitalizing deep wells and by using available geothermal energy significant savings of greenhouse gases, like CO2 can be made.The long-term EU strategy, as well as new Integrated National Energy and Climate Plan for the Republic of Croatia, is set on reducing greenhouse gas emissions and increasing energy efficiency. The revitalization of temporarily abandoned oil and gas wells in continental Croatia is one possibility in achieving these goals, and should be further investigated.

• Keywords: geotermalna energija; revitalizacija napuštenih bušotina; duboki koaksijalni bušotinski izmjenjivač; dostupna toplinska energija; SPF faktor; smanjenje emisija CO2
• Keywords (english): geothermal energy; revitalization of abandoned wells; deep coaxial borehole heat exchanger; available heating energy; SPF factor; CO2 emission reduction
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:169:759252
• Promotion: 2020
• Study programme: Title: Applied Geosciences, Mining and Petroleum Engineering; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor znanosti/doktorica znanosti (doktor znanosti/doktorica znanosti)
• Catalog URL: http://katalog.nsk.hr/F/?func=direct&CON_LNG=ZAG&local_base=ZAG01_WEB&doc_number=000682411
• Type of resource: Text
• Extent: 191 str. ; 30 cm
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2020-06-29 09:58:20