Optimal exploitation of geothermal resources : definition of a comprehensive approach from reservoir to reinjection and generation of selection maps

The aim of this work is to define a method to optimize the exploitation of a geothermal source on both the point of view of the power plant and that of the production of the geothermal fluid. To do this we have valued the power produced by four different configurations – a vapor plant with single or double flash stadium, with or without a binary cycle downstream the separator to exploit also the heat carried by the liquid – examining different conditions of the geothermal water at wellhead. Varying temperature (100 – 300 °è) and quality (from liquid to saturated vapor) we have obtained some maps on which it is possible to visualize immediately which is the best installation configuration between four proposals for the desired condition of wellhead. For our thermodynamic analysis the SFORC power plant (single flash stadium with ORC) results to be the best when the geothermal fluid is at medium-high temperatures and low vapor fractions; the DF (double flash) is better than others at low temperatures while the SF (single stadium of flash) perform greatly when the fluid has a significant vapor content. Wanting to optimize the whole geothermal system, we have led also an analysis of the well and of the extrapolation of the geothermal water through a discret model that, little step by little step, allows for calculate the total pressure gradient and the wellhead conditions given the bottom-hole conditions. Therefore, starting from these latter and applying all the described methodology, it is possible to determine which is the best installation to exploit a certain geothermal well, offering also an estimation of the generable electric power.

L’obiettivo di questo lavoro è di definire un metodo per ottimizzare lo sfruttamento di una sorgente geotermica sia dal punto di vista dell’impianto di potenza che da quello della produzione del fluido geotermico. Per fare ciò abbiamo valutato la potenza prodotta da quattro diversi impianti – un impianto a vapore con singolo o doppio stadio di flash, con o senza un ciclo binario ORC a valle del separatore per sfruttare anche il calore del liquido scaricato da questo – esaminando diverse condizioni dell’acqua geotermica a bocca di pozzo. Variando temperatura (100 – 300 °C) e titolo di vapore (da liquido a vapor saturo) abbiamo quindi ottenuto mappe su cui è possibile visualizzare immediatamente quale sia la miglior configurazione d’impianto tra le quattro proposte per la desiderata condizione di bocca di pozzo. Dalla nostra analisi termodinamica l’impianto SFORC (singolo stadio di flash con ORC) risulta essere il migliore quando il fluido geotermico si presenta a temperature medio-alte e basso titolo di vapore; il DF (doppio flash) è migliore degli altri a basse temperature mentre il SF (singolo stadio di flash) va benissimo quando il fluido ha un significativo contenuto di vapore. Volendo ottimizzare il sistema geotermico nella sua interezza, abbiamo condotto anche un’analisi del pozzo e dell’estrazione dell’acqua geotermica attraverso un modello discreto che, pochi metri alla volta, permette di calcolare la caduta di pressione e le condizioni di bocca pozzo date le condizioni di fondo pozzo. Pertanto, partendo da queste ultime e applicando la metodologia appena descritta, è possibile determinare quale sia il miglior impianto per sfruttare tale pozzo geotermico, offrendo anche una stima della potenza elettrica generabile.