Continuous gas lift per impianti geotermoelettrici binari : ottimizzazione energetica e analisi tecnico-economica di diverse configurazioni di impianto per un caso studio in Italia

The present work aims to evaluate the use of continuous gas lift technology for the exploitation of deep geothermal wells. Limits and advantages of this technology are discussed, comparing it with the usage of electrical submersible pumps (ESP). The comparison is carried out with a techno-economic analysis of both solutions. The case study is a real medium-enthalpy liquid-dominant geothermal source on Monte Amiata (Tuscany) owned by an Italian energy company. After a brief overview on the study context, i.e. the geothermal energy and the two technologies, the case study details are reported, in particular the thermodynamic conditions of the produced endogenous fluid, provided by the company. By means of them, it was possible to evaluate the power station performance, for different system layouts. The central part of the study deals with the definition of the best plant from a techno-economic point of view. Different system layouts are investigated with the goal of defining the best combination of plant configuration and working fluid, for both gas lift and ESP technologies. Both subcritical and supercritical cycles are considered. The theoretical limit of a Multiflow heat exchanger is used as a reference to verify the obtained results. The maximum power production is limited by two different constraints: a minimum reinjection temperature of 40 °C and the need to avoid formation of droplets in expansion. It is highlighted that in some cases the use of a regenerator and/or a superheater can be profitable. Finally, the Levelized Cost Of Electricity is calculated for the two different artificial lifting technologies, in order to evaluate the most convenient one for the specified site. Results show that a gas lift plant produces a lower amount of electrical power. Nevertheless, the system represents an interesting alternative for its reliability, for this case study.

La presente trattazione si pone lo scopo di valutare la possibilità di impiego della tecnologia del continuous gas lift nell’ambito della generazione geotermoelettrica, presentandone i limiti e i vantaggi rispetto all’utilizzo di elettropompe sommerse (ESP). Il confronto avverrà mediante analisi tecnico-economica delle due soluzioni, in applicazione ad un caso reale, ovvero una fonte di media entalpia liquido dominante sul Monte Amiata (Toscana), presa in concessione da un’utility del settore. Dopo una breve presentazione del contesto dello studio, sulla geotermia e sulle due tecnologie a confronto, verrà presentato il case study. Le condizioni a bocca pozzo sono fornite dall’azienda. Partendo da queste informazioni è stato possibile procedere al calcolo delle performance della centrale, in diverse configurazioni, mediante il software commerciale AspenPlus. La parte principale dello studio è dedicata infatti alla definizione del migliore schema d’impianto e alla scelta del miglior fluido di lavoro, sia nel caso di emungimento con gas lift che con ESP, motivando le scelte fatte sulla base della teoria dei cicli binari. Sono stati investigati cicli subcritici ad un livello di evaporazione e cicli supercritici. Al fine di validare l’efficacia delle soluzioni, è stato tenuto come riferimento il limite teorico rappresentato da uno scambiatore Multiflow. Nel corso della trattazione sono stati evidenziati due vincoli che limitano la produzione di potenza: una temperatura minima di reiniezione in pozzo del fluido geotermico pari a 40 °C e la necessità di evitare condensazione retrograda nei primi stadi di turbina. In alcuni casi, per migliorare le prestazioni dell’impianto è stata considerata la possibilità di introdurre un rigeneratore e dei surriscaldatori. Infine, tramite stima dei costi d’investimento e di esercizio, verrà calcolato il Levelized Cost Of Electricity per entrambe le tecnologie di sollevamento, al fine di valutarne l’applicabilità al sito in questione. I risultati mostrano che a un impianto a gas lift corrispondono potenze prodotte inferiori. Ciò nonostante, la sua affidabilità di esercizio lo rende un’alternativa interessante nel caso considerato.