Utilization of Geothermal Brine for Electrical Power Production

Abstract

The objective of the study is to compare methods that increase power generation from conventional single flash power plants by utilizing waste heat contained in brine from steam separators. Three different utilization methods are investigated by constructing thermodynamic models of different power cycles and optimizing the specific net power output for each cycle using conditions of hypothetical geothermal areas. The cycles investigated include a conventional double flash cycle, an organic Rankine bottoming cycle in parallel with a single flash cycle using isopentane as a working fluid and a modification of the double flash cycle involving an added recuperator between the geothermal brine and the steam at the high pressure turbine outlet. Also, a model of a single flash power plant is constructed for comparison. The specific net power outputs of the different cycles are compared along with the overall efficiency of the cycles. Finally, an economical analysis is performed to further compare the feasibility of the different cycles using conventional economical analysis to estimate the cost of the final product. The results of the study can be used to compare the different conventional methods of utilizing geothermal energy for electrical power production with respect to the energy content, or the enthalpy, of the geothermal fluid produced from production wells. Also, a new method of utilizing geothermal brine by modifying the double flash cycle is introduced and compared to the conventional cycles. The new method could provide useful results for increased power production compared to the other cycles and also, as a future study, provide a method of better controlling the double flash cycle in case of changes in the fluid characteristics from production wells, which is expected in future operation time of geothermal power plants.Markmið þessa verkefnis er að bera saman aðferðir til þess að auka rafmagnsframleiðslu hefðbundinna eins þrepa hvellsuðuorkuvera (e. Single Flash Power Plants) með því að nýta betur varma í skiljuvatninu frá gufuskiljunum. Þrjár mismunandi vinnsluaðferðir voru greindar með því að útbúa varmafræðileg líkön af vinnslurásum fyrir hverja gerð orkuvers og raforkuframleiðslan bestuð á hverja massaeiningu úr vinnsluholum. Skilgreint er fræðilegt jarðhitasvæði með ákveðnum skorðum sem tekið er tillit til við bestun vinnuhringjanna. Vinnuhringirnir sem rannsakaðir voru eru sem hér segir; tveggja þrepa hvellsuðuorkuver (e. Double Flash Power Plant), hvellsuðuorkuver með tvívökva organic Rankine rás (e. Hybrid Single Flash - ORC Power Plant) sem nýtir skiljuvatnið til þess að hita og sjóða isopentan vinnuvökva og breytt tveggja þrepa hvellsuðuorkuver (e. Modified Double Flash Power Plant) með endurhitara sem yfirhitar gufuna úr háþrýstihverflinum. Einnig var byggt líkan af hefðbundnu eins þrepa hvellsuðuorkuveri til samanburðar. Bestuð raforkuframleiðsla hvers hrings er borin saman ásamt nýtni orkuveranna. Að lokum er gert kostnaðarmat á framleiðslukostnaði fyrir hverja virkjun með aðferðum hagverkfræðinnar. Niðurstöður verkefnisins geta nýst í að bera saman hefðbundna nýtingarmöguleika skiljuvatnsins frá eins þrepa hvellsuðuorkuverum miðað við vermi jarðhitavökvans sem um ræðir. Einnig er kynnt til sögunnar ný aðferð við að nýta skiljuvatnið með því að bæta við endurhitara í hina hefðbundnu uppsetningu á tveggja þrepa hvellsuðuorkuveri og sá hringur borinn saman við hina hefðbundnu hringi. Hin nýja aðferð gæti gefið áhugaverðar niðurstöður fyrir aukna raforkuframleiðslu og einnig, sem framhaldsverkefni, boðið upp á stýrimöguleika fyrir hinn hefðbundna tveggja þrepa hvellsuðuhring ef komi til verulegra breytinga á eiginleikum háhitasvæðisins eftir að vinnsla hefst úr því sem gjarnan gerist við nýtingu jarðvarma á jarðhitasvæðum.Umhverfis- og orkuskjóður Orkuveitu Reykjavíku