Generasi Panasbumi Masa Depan? Seperti apa? [Part 5]

2. Japan Beyond-Brittle Project

Meskipun berada di wilayah yang secara tektonik menguntungkan untuk mengembangkan energi panas bumi (magmatisme zona subduksi terkait dengan konvergensi lempeng samudera-samudera), Jepang telah membatasi pengembangan panas bumi selama 12 hingga 15 tahun terakhir karena beberapa alasan:

1. Energi panas bumi dianggap memiliki biaya yang relatif tinggi.

2. Daya yang dihasilkan secara geotermal lebih sedikit daripada yang dihasilkan oleh pembangkit listrik berbahan bakar fosil dan nuklir.

3. Ketidakpastian dan risiko tinggi terkait dengan pengembangan sumber daya bawah tanah (misalnya, risiko sumur kering).

4. Mata air panas, yang dianggap penting secara budaya, berpotensi menjadi rusak.

5. Pembangkit listrik yang ada memiliki kapasitas yang relatif kecil (10 hingga 20 MWe) dan telah mengalami penurunan suhu dari waktu ke waktu (masalah keberlanjutan).

Setelah gempa bumi berkekuatan 9,1 Tohuku dan kerusakan berikutnya pada pembangkit listrik tenaga nuklir Fukushima pada tahun 2011, prospek energi nasional di Jepang, bagaimanapun, berubah drastis. Pemerintah, industri, dan warga negara sekarang sedang mencari cara untuk mengembangkan sumber energi alternatif, termasuk eksploitasi lebih besar dari energi panas bumi. JBBP dibangun berdasarkan hasil studi yang mengevaluasi sumber daya panas bumi dalam di lapangan panas bumi Kakkonda (Asanuma et al., 2012; Muraoka et al., 2014; Tamanyu dan Fujimoto, 2005), di mana lubang bor sepanjang 3,7 km berhasil menembus sistem panas bumi konvektif (dangkal dan dalam) pada batuan brittle yang meluas hingga kedalaman 3,1 km dan suhu 380 ° C. Pada 3,1 km, zona transisi getas-ulet ditembus dan setelah itu suhu terus meningkat hingga lebih dari 500 ° C pada batuan ulet dan konduktif termal (Gambar 11.28). Perhatikan pada Gambar 11.28 bahwa kelarutan silika mencapai maksimum pada sekitar 360 ° C dan kedalaman sekitar 2,4 km dan kemudian secara bertahap menurun ke zona transisi getas-ulet pada kedalaman 3,1 km, di mana kelarutan turun drastis. Penurunan tiba-tiba dalam kelarutan silika mencerminkan presipitasi kuarsa / silika yang signifikan, yang, bersama dengan creep batuan dari awal deformasi plastis, menyebabkan permeabilitas ruang terbuka sebagian besar dilenyapkan. Oleh karena itu, zona transisi getas-ulet berfungsi sebagai penghalang terutama yang kedap air, mengisolasi sistem panas bumi konvektif di atasnya dari sistem panas bumi konduktif yang mendasarinya. JBBP mengeksplorasi kemungkinan pengembangan sumber daya EGS di zona transisi getas-ulet dan level yang lebih dalam untuk alasan berikut :

1. Karena batuan panas dan ductile di kedalaman jauh lebih luas daripada sumber daya panas bumi konvensional dangkal, masalah dengan distribusi lokal sumber daya panas bumi konvensional dangkal, seperti pengeboran sumur kering menjadi berkurang.

2. Dalam EGS yang dikembangkan hingga saat ini pada batuan brittle, hanya sekitar 50% atau kurang cairan yang diinjeksikan dapat dikembalikan ke permukaan, dan dibutuhkan air berlebih yang signifikan; namun, sekitar 100% pemulihan dapat diharapkan dari zona ductile.

3. Kegempaan yang disebabkan oleh stimulasi hidrolik dan kontraksi termal pada batuan brittle kemungkinan besar akan berkurang pada batuan ductile karena ukuran kecil dari patahan yang terbentuk akibat kontraksi termal fluida yang diinjeksikan. Selain itu, energi seismik akan melemah karena sifat ductile batuan.

4. Sifat batuan dan kondisi tegangan yang lebih homogen memungkinkan desain yang lebih sederhana untuk mengembangkan sumber daya panas bumi. Karena karakteristik kurang unik, metodologi yang diterapkan secara luas untuk desain, pengembangan, dan produksi dapat dimanfaatkan, sehingga menghemat waktu dan biaya.

Komponen utama dalam JBBP diilustrasikan pada Gambar 11.29.

Visi JBBP mengembangkan dua jenis tipe reservoir. Tipe I mencakup zona transisi brittle-ductile di mana rekahan yang dihasilkan secara artifisial dari stimulasi hidraulik dan kontraksi termal akan terhubung dengan rekahan yang terkait dengan reservoir dalam di atasnya pada batuan brittle. Reservoir ini akan berada di kedalaman sekitar 3 km dengan suhu berkisar antara 350 ° hingga 400 ° C. Karena tipe I terletak di zona kuarsa retrograde, upaya kelarutan akan diperlukan untuk mengontrol presipitasi dan kerak silika. Ini penting, karena eksperimen telah menunjukkan bahwa presipitasi kuarsa pada suhu lebih dari 400 ° C dapat menutup permeabilitas pada skala waktu sesingkat hari atau minggu (Muraoka et al., 2014). Tipe II terletak pada batuan ductile sepenuhnya pada kedalaman sekitar 4 km dan suhu sekitar 500 ° C (kondisi superkritis). Di sini, jaringan rekahan yang terisolasi akan dihasilkan oleh stimulasi buatan dengan permeabilitas yang ditingkatkan oleh sifat superkritis dari fase fluida berair. Reservoir tipe II, relatif terhadap tipe I, akan memiliki entalpi yang lebih tinggi, pemulihan hampir penuh dari fluida yang diinjeksi, dan potensi yang berkurang untuk kegempaan yang diinduksi. Seperti tipe I, potensi penyegelan diri dari presipitasi kuarsa bisa menjadi masalah serius dan harus diatasi, mungkin dengan manipulasi kimiawi dari cairan yang disuntikkan dan diedarkan. Pengeboran di bawah zona transisi brittle-ductile dijadwalkan pada awal 2017. Sebelum itu, studi akan terus difokuskan pada hal-hal berikut:

1. Karakterisasi kondisi batuan dalam batuan ductile, termasuk interaksi air-batuan, sifat termal, dan sifat air pori dalam kondisi ductile

2. Pemahaman lebih lanjut tentang mekanika batuan pada kondisi ductile melalui eksperimen untuk menguji bagaimana tegangan dapat menciptakan rekahan dalam kondisi ductile, bersama dengan pemodelan numerik

3. Metodologi pengeboran untuk sumur dalam dan panas termasuk lumpur bor yang sesuai, penyemenan selubung dalam kondisi yang keras, dan penggunaan alat logging dan pemantauan.

Hotter and Deeper Exploration Science, New Zealand

Mirip dengan Islandia, Selandia Baru memiliki sumber daya panas bumi yang melimpah. Saat ini, negara memiliki kapasitas tenaga panas bumi sekitar 1080 MWe, yang mewakili sekitar 16% dari total kapasitas terpasang. Sebagian besar sumber daya tersebut terletak di Zona Vulkanik Taupo di Pulau Utara, salah satu kawasan vulkanik paling aktif di planet ini. Semua lokasi panas bumi yang dikembangkan relatif dangkal (<3 km) dan menggunakan sistem panas bumi konveksi konvensional di batuan vulkanik brittle yang memiliki rekahan dan permeabilitas primer. Tujuan dari proyek Ilmu Eksplorasi Lebih Panas dan Lebih Dalam (HADES) adalah untuk mengeksplorasi pengembangan sistem "lebih panas dan lebih dalam" di bawah sumber daya panas bumi yang sedang dikembangkan, tetapi, tidak seperti JBBP, terutama di atas zona transisi getas-ulet (Gambar berikut ini). 

Tujuan khusus dari proyek ini adalah untuk :

1. Memberikan insentif bagi pengembang, termasuk mengurangi risiko, untuk membenarkan pengeboran sumur eksplorasi dalam.

2. Menggambarkan sistem geotermal dalam di Zona Vulkanik Taupo menggunakan teknik geofisika terperinci termasuk gravitasi, survei resistivitas magnetotelurik, dan studi aeromagnetik.

3. Merumuskan model prediktif untuk perilaku fluida dan sifat batuan mekanis di zona target dalam yang dibayangkan untuk membantu mengembangkan kendala pada potensi hidrofrakturing untuk meningkatkan permeabilitas pada tingkat dalam (> 4 km).

4. Mengebor sumur eksplorasi sedalam 4 hingga 5 km untuk menilai hasil studi sebelumnya dan dengan tujuan untuk menunjukkan kelayakan untuk mengembangkan wilayah panas bumi yang dalam.

Sistem panas bumi konvensional yang dikembangkan saat ini di Selandia Baru dikembangkan di batuan rapuh dengan permeabilitas yang cukup untuk mendukung konveksi hidrotermal. Zona panas bumi dalam yang dibayangkan, di bawah dan mencakup zona transisi brittle-ductile, akan dipanaskan terutama oleh konduksi. Injeksi air dingin ke wilayah ini diharapkan dapat membuat kejutan termal dan memecah batuan, menciptakan permeabilitas yang lebih baik, merangsang konveksi, dan menawarkan kesempatan untuk menarik panas untuk menghasilkan tenaga. Permeabilitas yang ditingkatkan, bagaimanapun, mungkin sebagian ditiadakan oleh pengendapan kuarsa. Hasil terbaru dari salah satu array magnetotelluric (MT) tiga dimensi terbesar, yang digunakan untuk menggambarkan zona dalam (di bawah 3 km) dari anomali resistivitas, di Zona Vulkanik Taupo konsisten dengan zona berkelanjutan konveksi yang mengekstraksi energi dan volatil dari quasi-plastic rock di kedalaman 5 sampai 7 km  (Lindsey et al.,2014). Interpretasi dari data MT menunjukkan bahwa air asin panas bermigrasi ke atas melalui zona patahan lokal yang mengarah ke pertukaran energi dan massa panas bumi ke bagian bawah dari sistem panas bumi konvensional dangkal (<3 km dalam) (Gambar berikut ini).

Rangkuman

Sistem panas bumi yang disempurnakan dan direkayasa memiliki potensi untuk meningkatkan keluaran tenaga panas bumi secara signifikan hingga 100 kali lipat dari produksi saat ini. Jika tercapai, energi yang diturunkan secara geotermal dapat menyediakan sekitar sepertiga dari total produksi listrik AS, peningkatan yang sebagian besar disebabkan oleh kejadian batuan panas (petra-heat) yang lebih luas di kedalaman daripada sifat lokal saat ini yang saat ini memproduksi sistem panas bumi konvensional, yang membutuhkan orkestrasi kondisi geologi unik untuk pengembangan yang sukses. 

Sistem panas bumi yang ditingkatkan biasanya dikembangkan di daerah sistem panas bumi konvensional yang ada di mana sumur tertentu tidak produktif karena permeabilitas atau ketersediaan air yang terbatas. Sumur ini kemudian distimulasi melalui kombinasi hydroshearing dan rekahan hidraulik yang lebih bertekanan untuk meningkatkan produksi tenaga. Ini berhasil didemonstrasikan di Desert Peak, Nevada, dan saat ini sedang dieksplorasi di lapangan geothermal Northwest Geysers. Sistem panas bumi yang direkayasa berfokus pada daerah pengembangan batuan panas di mana tidak ada sistem panas bumi konvensional. Dalam hal ini, fluida dingin diinjeksikan dengan jumlah tekanan yang berbeda-beda ke hydroshear dan batuan panas berkontraksi termal, menyebabkan rekahan dan permeabilitas yang lebih baik. Sistem panas bumi yang direkayasa telah berhasil dikembangkan di Insheim dan Landau di Jerman tetapi biasanya kecil dengan kapasitas terpasang masing-masing sekitar 5 MWe. Di Amerika Serikat, proyek demonstrasi untuk mengembangkan sistem panas bumi yang direkayasa sedang berlangsung di Gunung Berapi Newberry di Oregon tengah. Di sana, operator telah mengembangkan bahan isolasi zona yang dapat terdegradasi secara termal yang untuk sementara menyumbat retakan yang distimulasi secara artifisial melalui hydroshearing. Kemudian, selama kejadian injeksi berikutnya, rekahan baru terbentuk yang meningkatkan ukuran reservoir panas bumi potensial.

Selain itu, alih-alih menggunakan air sebagai kendaraan untuk mengekstraksi energi dari batuan panas, beberapa pekerja menyarankan penggunaan CO2 superkritis. Salah satu keuntungan menggunakan superkritis CO2 adalah kecepatan transpor fluida yang lebih tinggi karena viskositas CO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan air. Keuntungan kedua adalah kelarutan terbatas dari mineral terlarut dalam superkritis CO2 sehingga penyegelan fraktur dari deposisi mineral diminimalkan; namun, mendapatkan pasokan CO2 yang stabil untuk injeksi dengan biaya ekonomis tetap menjadi masalah. 

Akuifer sedimen dalam dan panas yang terjadi pada kedalaman 3 sampai 4 km dengan temperatur fluida yang terkandung berkisar dari sekitar 150 ° C sampai sebanyak 200 ° C memiliki urutan besarnya permukaan dan luas target yang lebih besar dibandingkan dengan reservoir panas bumi yang dikembangkan secara struktural. Karena ukurannya yang besar dan potensi laju aliran yang tinggi, pembangkit listrik tenaga panas bumi yang menyadap reservoir tersebut dapat menghasilkan daya yang lebih besar (200 hingga 300 MWe) daripada reservoir yang dikontrol secara struktural yang dikembangkan menggunakan teknologi biner (20 hingga 30 MWe). Dengan demikian, pengembangan reservoir stratigrafi yang dalam dan panas dapat berfungsi sebagai jembatan antara pengembangan sistem panas bumi konvektif konvensional saat ini dan realisasi sistem panas bumi yang direkayasa.

Akhirnya, pengembangan sistem fluida berair superkritis tetap eksperimental tapi prospektif. Keuntungannya termasuk entalpi tinggi dan peningkatan laju aliran fluida superkritis yang dapat meningkatkan keluaran daya sumur sebesar 5 hingga 10 kali lipat dari fluida subkritis yang menghasilkan sumur. Jika terwujud, penyadapan cairan superkritis akan mengurangi biaya pengeboran secara signifikan dan memiliki dampak lingkungan yang lebih sedikit, karena lebih sedikit jalan dan bantalan bor yang dibutuhkan untuk mengembangkan lapangan. Meskipun demikian, beberapa masalah masih harus diselesaikan yaitu:

• Potensi degradasi peralatan karena kondisi keras yang membutuhkan alloy mahal untuk casing sumur

• Penurunan permeabilitas karena transisi dari perilaku brittle ke ductile pada kondisi superkritis untuk batuan silikat atau silisiklastik

• Potensi pengendapan mineral kuarsa dan mineral lain yang memiliki kelarutan retrograde pada suhu dan tekanan kondisi superkritis

Masalah terakhir ini dapat menyebabkan self-sealing di reservoir atau pengembangan scaling di sumur bor, sehingga berpotensi meniadakan, setidaknya sebagian, peningkatan entalpi dan transmissivitas fluida superkritis. Terlepas dari rintangan potensial ini, pekerjaan ini diteruskan untuk menguji pengembangan cairan superkritis di Islandia dengan Iceland Deep Drilling Project (IDDP), di Jepang dengan Japan Beyond-Brittle Project (JBBP), dan di Selandia Baru dengan Ilmu Eksplorasi Lebih Panas dan Lebih Dalam (HADES). Energi panas bumi memainkan peran penting di masing-masing negara ini, baik untuk pembangkit listrik maupun penggunaan langsung; tidak mengherankan bahwa negara-negara ini berada di garda depan penelitian dan pengembangan panas bumi karena masing-masing negara memiliki sumber bahan bakar fosil yang terbatas atau tidak ada sama sekali.