Thermo-economic optimation of slim power cycles : a case of Ngozi geothermal project-Tanzania

Abstract

Ngozi geothermal field located in Mbeya Tanzania, is the main geothermal project that the country focuses on, aiming at producing clean energy in term of both electricity and heat. The project is an exploration drilling phase. The present study focuses on developing an optimized strategy in terms of wellbore size selection and power plant technology to be used, for the development of Ngozi geothermal field in Tanzania. To obtain this, a comparative thermo-economic analysis of slim wells against full size wells is done for a selection of power plant cycles. To obtain a realistic estimate of the wellbore output, as required for the thermo-economic analysis, well bore data from Pritchett [1] is used as basis for the analysis. The geothermal field is assumed to be liquid dominated.Results show that, binary cycle has the highest first and second law efficiencies, produces the highest net-work output, and offers the lowest total cost per unit Megawatt compared to single and double flash power cycles. The binary technology would therefore be the most suitable power plant technology to be employed in Ngozi geothermal prospect. Apart from the capability to produce the highest amount net-work output and lowest cost per unit megawatt compared to the other slim wellbore diameters, the well can support testing. If a geothermal field is liquid dominated and low enthalpy, slim wells would be more suitable for the power production instead of full-size wells. It can be concluded that in liquid dominated, low enthalpy geothermal fields, where a decision is to be made to drill slim wells, 15 cm well bore diameter slim wells are more suitable. It has also been shown that it takes less time to break even when slim wells are used to produce power compared to full size wells. The results from this work are expected to equip developers including TGDC with adequate information to approach exploration drilling with a holistic and strategic view of minimizing the total investment cost and using exploration slim holes more productively compared to the traditional way. The aim is to improve energy efficiency and prove the business case for start-up geothermal projects with production taking place after drilling and testing successful slim wells instead of just plugging them. Moreover, to use slim well for production, proper casing design must be used to allow the flow of adequate quantity of geothermal fluids for production of electricity.

Ngozi jarðhitasvæðið, sem er í Mbeya í Tanzaníu, er helsta jarðhitaverkefni á dagskrá hjá Tanzanískum stjórnvöldum, með það í huga að auka framboð endurnýjanlegrar orku, bæði raforku og varma. Verkefnið er nú í könnunarfasa. Í þessari meistararitgerð er þróuð aðferðafræði til að velja hagkvæmustu og áhættuminnstu tæknina, bæði hvað varðar borholugerð og vinnuhring, til að vinna orku frá Ngozi jarðhitasvæðinu. Með þetta að markmiði, var gerð varmahagfræðileg samanburðargreining á grönnum könnunarholum (e: slim wells) og hefðbundnum jarðhitaboroholum, fyrir nokkrar gerðir af vinnuhringjum. Byggt var á borholugögnum frá Pritchett [1] til að meta rennsli, holutoppsþrýsting og vermi jarðhitavökvans fyrir mismunandi holugerðir, sem forsendu fyrir hermanir á vinnuhringjunum, en þau gögn voru fyrir jarðhitasvæði með fremur lágt vermi, líkt og búist er við í Ngozi.Í ljós kom að binary vinnuhringur hefur bestu fyrsta og annars lögmáls nýtni, skilar mestri vinnu og lægsta kostnaðaverði pr. Megawatt af uppsettu afli, í samanburði við opnar gufuhringrásir með einu eða tveimur þrýstingsþrepum. Binary vinnuhringur væri því hagkvæmasta tæknin fyrir jarðhitavirkjun á Ngozi svæðinu. Fyrir jarðhitasvæði með tiltölulega lágt vermi jarðhitavökva er hagkvæmara að nota grannar könnunarholur (slim wells) til orkuvinnslu heldur en hefðbundnar vinnsluholur. Niðurstöður líkansins benda til þess að hagkvæmast sé að bora holur með 15 cm þvermáli, sem könnunarholur, sem síðan má nýta sem vinnsluholur. Sýnt er fram á að virkjunin borgar sig upp á styttri tíma þegar grannar holur eru notaðar í stað hefðbundinna vinnsluhola.Telja má að lærdómurinn frá þessu verkefni muni nýtast TGDC og framkvæmdaaðila í Ngozi til ákvarðanatöku og veita fullnægjandi heildarmynd til að unnt verði að lágmarka áhættu, og fjárfestingakostnað með því að nýta grannar könnunarholur í könnunarfasanum, og jafnframt til framleiðslu, og þar með útvíkka og framlengja hlutverk þeirra í virkjuninni. Markmiðið er að bæta orkunýtnina og sýna fram á hagkvæmni þess fyrir jarðhitavirkjanir í framkvæmdafasa að hefja strax framleiðslu frá vel heppnuðum grönnum könnunarholum í stað þess að loka þeim og bora nýjar vinnsluholur. Til að þetta sé mögulegt er mikilvægt að velja rétt hannaða fóðringu til að fá nægjanlegt rennsli jarðhitavökva frá holunni til orkuvinnslu.