CO2 as fluid for enhanced geothermal energy

The Enhanced Geothermal Systems are a new research branch in the renewable power production field. They exploit underground hot rocks in order to produce energy without a pre-existent fluid, unlike the traditional geothermal plants, but injecting directly underground a fluid with certain characteristics, which will be heated and subsequently extracted. The aim of this work is to analyse this systems and compare the use of water and CO2 as working fluid in order to discover which fluid is better in certain conditions. This analysis was made through the simulation with Comsol Multiphysics 5.3 of the geothermal reservoir and with Aspen Plus 9.0 of the power plants: four different geothermal reservoirs were simulated, two of them with the two different fluid (water and CO2), with different boundary conditions and mass flow rates. Afterwards, 6 different power plant layouts were designed in order to understand which solution best fits the conditions, chosen between the best available geothermal technologies. Furthermore, an economic analysis was also performed in order to proof the economic feasibility of the projects, through the calculation of the Net Present Values and of the Pay Back Time. The results of this analysis showed that exploiting this technology is possible and economically viable, and that CO2 technology is technically competitive with the water one.

I Sistemi Geotermici Migliorati (Enhanced Geothermal Systems in inglese) sono un nuovo campo di ricerca nell’ambito della produzione di potenza da energia rinnovabile. Essi sfruttano il calore immagazzinato sotto terra nelle rocce per produrre energia, senza la presenza il loco di fluido, a differenza dei tradizionali impianti geotermici, ma tramite un pozzo di iniezione che forza un fluido esterno sottoterra, per essere scaldato e successivamente estratto. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare questi sistemi e comparare l’uso di acqua e CO2 come fluido di lavoro in questi impianti per capire quale sia meglio in determinate condizioni. Questa analisi è stata fatta tramite la simulazione dei giacimenti col software Comsol Multiphysics 5.3 e quella del ciclo di potenza tramite Aspen Plus 9.0: sono stati simulati quattro differenti giacimenti geotermici, due dei quali con i due differenti fluidi (acqua e CO2), con differenti condizioni al contorno e portate massiche. Successivamente sono stati strutturati 6 diversi tipi di impianti per la produzione di potenza per capire quale caso fosse il migliore per il caso descritto, tra le migliori tecnologie geotermiche disponibili. Inoltre è stata svolta anche un’analisi economica di massima, per verificare la fattibilità o meno anche dal punto di vista economico, tramite il calcolo di indicatori quali l’NPV (Net Present Value o Valore Attuale Netto, VAN) e il PBT (Pay Back Time, Periodo di ritorno). I risultati dell’analisi mostrano che lo sfruttamento di tale tecnologia non solo è possibile, ma anche economicamente vantaggioso. Inoltre la tecnologia a CO2 è tecnicamente concorrenziale con quella ad acqua.