Transcript Geothermal Energy for Everyone

Geothermal Energy for Everyone
Pre-Workshop Course
Bandung, 5 Maret 2012
Schedule
08.00 – 12.00 : Geothermal System
Geothermal Exploration
13.00 – 17.00 : Geothermal Production and Utilization
Environmental Aspects
Geothermal Economics
Introduction
Bumi
Bumi
Struktur Bumi
dan
Gradien Geotermal
30oC/km
Rata-rata 1oC/km
Jari-jari (km)
Temperatur (oC)
Gradien
Temperatur
Bumi dan Tektonik Lempeng
Geothermal System
Definition
• Geothermal system : A general term that describes natural
heat transfer within a confined volume of the Earth’s crust
where heat is transported from a heat source to a heat sink
usually the free surface (Hochstein & Browne, 2000).
• Heat transfer :
– Conduction
– Convection
– Radiation
Air permukaan
Air permukaan
Geothermal System
(Goff & Janik, 2000)
1. Sistem hot dry rock yang memanfaatkan panas yang
tersimpan dalam batuan berporositas rendah dan tidak
permeabel. Temperatur sistem ini berkisar antara 120 hingga
225°C dengan kedalaman 2 hingga 4 km).
2. Sistem magma tap yang memanfaatkan panas yang keluar
dari tubuh magma dangkal. Pada sistem ini, magma
merupakan bentuk paling murni panas alamiah yang
mempunyai temperatur <1200°C
Geothermal System
3.
Sistem yang berasosiasi dengan volkanisme Kuarter dan
intrusi magma. Sistem ini umumnya mempunyai temperatur
<370°C dan kedalaman reservoir <1,5 km.
4.
Sistem yang berhubungan dengan tektonik, yaitu terjadi di
lingkungan backarc, zona kolisi dan sepanjang zona sesar.
Sistem ini yang telah dieksploitasi umumnya mempunyai
temperatur reservoir <250°C dan kedalaman >1,5 km.
5.
Sistem (yang dipengaruhi oleh) geopressure ditemukan di
cekungan sedimen. Kedalaman reservoir sistem ini
umumnya 1,5 hingga 3 km dan temperatur reservoir
berkisar dari 50 hingga 190°C.
Hydrothermal System
• Hydrothermal system : A type of geothermal system where
heat transfers from a heat source to the surface by free
convection, involving meteoric fluids with or without traces of
magmatic fluids (Hochstein & Browne, 2000).
• A hydrothermal system consists of :
– a heat source,
– a reservoir with thermal fluids,
– a surrounding recharge, and
– a (heat) discharge area at the surface with manifestation.
Daerah resapan
Daerah resapan
Manifestasi
di permukaan
Sumur
panas bumi
Reservoir
Sumber panas
(IGA, 2004)
Schematic representation of an ideal hydrothermal system. A hydrothermal system can be
described schematically as 'convecting water in the upper crust of the Earth, which, in a
confined space, transfers heat from a heat source to a heat sink, usually the free surface'
(Hochstein, 1990). It is made up of three main elements: a heat source, a reservoir and a
fluid, which is the carrier that transfers the heat (IGA, 2004).
Definition
• Volcanic system : A type of geothermal system where heat
and mass transfers from an igneous body (usually a magma
chamber) to the surface involving convection of magmatic
fluids; meteoric fluids are not involved in the heat transfer
process or are minor (Hochstein & Browne, 2000).
• Volcanic-Hydrothermal system : A combination of a
hydrothermal and a volcanic systems, where ascending
magmatic (primary) fluids commonly mix with meteoric
(secondary) fluids (rarely sea water); also called a magmatichydrothermal system.
Volcanic-Hydrothermal System
Continental Types
(eg. New Zealand)
Islans-arc Types
(eg. Indonesia)
Flat
High (strato volcano)
Heat source
Silisic volcanics, deep intrusives
Andesite – dacite, shallow intrusives
Origin of fluid
Meteoric
Meteoric – magmatic
High elevation
Low elevation
Low
Moderate
Primary pH
Neutral
Neutral – acid
Vapour zone
Rare
Common
Steam – water discharge
Steam discharge
Minor
Extensive, water discharge
Easy to explore with shallow wells
Problems during exploration
Terrain
Recharge
Salinity
Upflow
Lateral outflow
Note
Lawless (2008)
Continental Type = Flat Terrain
Island-Arc Type = High Terrain
Indonesia mempunyai potensi panas bumi sebesar 29 GW
atau sekitar 40% potensi dunia yang kebanyakan berasosiasi
dengan gunung api strato (topografi tinggi).
Smitsonian Natural Museum of History: Volcanoes of Indonesia
Geothermal in Indonesia
Total potential: 29,038 MW at 276 fields
Resources: 13171 MW and Reserves: 15867 MW
Installed capacity: 1196 MWe
Non volcanic system
Volcanic-Hydrohermal System in Java - Bali
Hochstein & Sudarman (2008)
Volcanic-Hydrohermal Systems in Sumatra
Hochstein & Sudarman (2008)
Other Hydrothermal System
Berdasarkan :
• Sumber panas
• Temperatur (entalpi) reservoir
• Fluida reservoir
• dll
Temperatur Reservoir
Hochstein (1990)
Fasa Fluida Reservoir
Fasa Fluida Reservoir
Fasa Fluida Reservoir
Pola Aliran Fluida : upflow / outflow
Morfologi / Geologi : Kaldera
Morfologi / Geologi : Sesar
Hal-hal yang perlu diperhatikan:
• Heat source : depending on geological setting, the most
favourable is large, long lived hdrothermal systems  age
• Host rock: can be any type, most often volcanic, carbonate
rocks may give problems  permeability
• Size: generally 1 to 5 km2 (upflow), can be as long as 20 km
(outflow)  resources
• Fluids: mainly meteoric, dilute brine (~1/10 salinity of sea
water), near-neutral pH, with dissolved gas of CO2 (+H2S) 
resources/reserve & production
Fluida Panas Bumi
Fluida Hidrotermal
Boiling
•
Pemisahan 2 fasa fluida:
– Air
– Uap
• Disertai dengan pemisahan:
– Unsur terlarut, termasuk gas
– Entalpi (panas yang disimpan)
• Pada sistem panas bumi terjadi di kedalaman < 2 km
Boiling Point
Boiling Point Depth (BPD)
250oC
(Haas, 1971)
Boiling and Condensation
(Lawless, 2008)
Fluida Hidrotermal
Reservoir water, 1,000-10,000 mg/kg Cl,
neutral pH, trace of CO2 & H2S, SiO2 rich.
Magmatic fluid,
strong acid
Steam heated, near surface water, pH of acid to near neutral
Air Klorida (Cl)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Menunjukkan air reservoir
Mengandung 0,1 hingga 1,0 wt.% Cl
Perbandingan Cl/SO4 umumnya tinggi
Mengandung kation utama : Na, K, Ca dan Mg
Berasosiasi dengan gas CO2 dan H2S
pH sekitar netral, dapat sedikit asam dan basa tergantung
CO2 terlarut
Sangat jernih, warna biru pada mataair natural
Kaya SiO2 dan sering terdapat HCO3Terbentuk endapan permukaan sinter silika (SiO2)
Air Sulfat (SO4)
•
•
•
•
•
•
Akibat kondensasi uap air ke dalam air permukaan (steam
heated water)
SO4 tinggi (mencapai 1000 ppm) akibat oksidasi H2S di zona
oksidasi dan menghasilkan H2SO4 (H2S + O2 = H2SO4)
Mengandung beberapa ppm Cl
Bersifat asam
Ditunjukkan dengan kenampakan kolam lumpur dan
pelarutan batuan sekitar
Di lingkungan gunung api : air asam SO4-Cl terbentuk akibat
kondensasi unsur volatil magmatik menjadi fasa cair
Air Sulfat - Klorida (SO4 – Cl)
Ta: Taal
Ku: Kusatsu Shirane
Kb: Kaba
Tin, Tam: Kelimutu
Ij: Ijen
Po: Poas
Ma: Maly Semiachik
Pu: Kawah Putih
Dem: Dempo
Sv: Soufrière St.Vincent
Qu: Quilotoa
Kel: Kelud
Sa: Segara Anak
Ny, Mo: Nyos, Monoun
The discharge of magmatic gases (SO2, H2S, HCl and HF) into a crater lake frequently lead to highly acidic
sulfate-chloride waters. The lakes are too acidic to convert and store CO2 gas as bicarbonate ions (HCO3-).
Air Bikarbonat (HCO3)
•
•
•
•
•
Terbentuk pada daerah pinggir dan dangkal sistem geotermal
Akibat adsorbsi gas CO2 dan kondensasi uap air ke dalam air
tanah (steam heated water)
Rendah Cl dan SO4 bervariasi
Di bawah muka air tanah bersifat asam lemah, tetapi dapat
bersifat basa oleh hilangnya CO2 terlarut di permukaan
Di permukaan dapat membentuk endapan sinter travertin
(CaCO3)
Fluida dan Permeabilitas
Lawless in WPRB Geothermal Lectures 2008
Umur Fluida dan Sistem Panas Bumi
•
Residensi air: ~10.000 tahun
– Umumnya 100 – 1.000 tahun
– Dapat 20.000 – 40.000 tahun
•
Umur sistem panas bumi: 200.000 tahun (Kawerau, NZ),
umumnya ~2.000 – 500.000 tahun
Surface Manifestation
Kemunculan Manifestasi Dipengaruhi:
•
Parameter-parameter fluida panasbumi (e.g. densitas,
viskositas, temperatur, tipe, dll).
•
Parameter-parameter reservoar (e.g. permeabilitas, pola
aliran, dll).
•
Proses-proses pada fluida panasbumi yang terjadi di bawah
permukaan (e.g. pencampuran dengan air dingin, boiling,
kondensasi).
•
Total panas yang ada di reservoar.
Manifestasi Panas Bumi di Permukaan
•
Aktif, gejala dan perubahan dapat diamati (e.g. mata air
panas, kolam lumpur, tanah beruap).
•
Fosil, berupa alterasi batuan.
Klasifikasi Manifestasi Aktif (Keluaran Fluida):
•
Keluaran langsung = direct discharge (e.g. mata air panas,
fumarol, dll)
•
Keluaran terdifusi = diffuse discharge (e.g. tanah beruap,
tanah hangat, dll)
•
Keluaran intermiten = intermitten discharge (e.g. geyser)
•
Keluaran
tersembunyi
=
(e.g. seepage/rembesan sungai)
concealed
discharge
Mata air panas dan hangat
• Mata air hangat: t < 50oC, pH umumnya asam lemah
• Mata air panas: t > 50oC, pH umumnya netral, dapat
membentuk teras sinter
Kolam panas dan hangat
• Panas umumnya hilang melalui evaporasi pada permukaan air.
• Dibedakan menjadi: calm (t < 100oC), boiling, dan embullient
pools (flashing of steam atau gas)
Kolam lumpur atau kolam asam
• Kolam lumpur:
 Akibat dari kondensasi uap air dan gas di dekat permukaan
 t < 100oC
• Kolam asam:
 Kondensasi gas-gas magmatik dalam air danau kawah
 Berasosiasi dengan volkanisme aktif
Geyser
• Uap dan air keluar dengan
selang waktu tertentu
• Model: lubang di bawah
permukaan terisi oleh air
dan saat t > titik didih air,
uap dan air akan didorong
keluar.
Fumarol (fumaroles)
• Terdiri dari sebagian besar uap air atau campuran 2 fasa uap
dan air panas
• Mengandung trace H2S, SO2 dan sublimasi S
• Kebasahan & temperatur:
 Fumarol basah bertemperatur < 100oC dan terbentuk di
sistem dominasi air
 Fumarol kering mempunyai temperatur 110 hingga 150oC
pada sistem dominasi uap
Tanah hangat (warm ground)
• Gradien temperatur = 25 – 30oC/m
• Panas dikeluarkan secara konduksi
• Umumnya berada di sekitar keluaran panas yang lebih besar
• Tidak ada anomali pada vegetasi
• Tidak terdeteksi oleh pengukuran infra-red
Tanah beruap (steaming ground)
• Uap berasal dari evaporasi air panas di dekat permukaan atau
keluar dari bawah permukaan
• Terdapat anomali vegetasi
• Dapat dideteksi dengan pengukuran infra-red
• Steaming ground can be dangerous and great care should be
taken when entering the area
Rembesan (seepage)
• Umumnya keluar di dasar sungai atau danau
• Mengalami pelarutan oleh air tanah atau air permukaan
Kaipohan
• Keluaran gas
• Tidak ada anomali panas
Fossil Manifestation
• Alterasi hidrotermal di permukaan:
– Sinter silika
– Travertin
• Alterasi hidrotermal di bawah permukaan
Geothermal Exploration
Eksplorasi Panas Bumi
Tujuan utama kegiatan eksplorasi panas bumi adalah mencari
model (konseptual) sistem panas bumi:
• Sumber panas (heat source)
• Reservoir
• Batuan penutup
• Pola aliran fluida panas bumi (daerah resapan, upflow dan
outflow/lateral flow)
Kajian
•
Geologi (+hidrogeologi)
•
Geokimia
•
Geofisika
•
Teknik Reservoir
+ Sosial Budaya, Ekonomi, Infrastruktur, dll.
PP No. 59/2007: Tahapan Kegiatan Usaha Panas Bumi
•
Survei Pendahuluan adalah kegiatan yang meliputi
pengumpulan, analisis dan penyajian data yang berhubungan
dengan informasi kondisi geologi, geofisika dan geokimia
untuk memperkirakan letak dan adanya sumber daya panas
bumi serta wilayah kerja.
•
Eksplorasi adalah serangkaian kegiatan yang meliputi
penyelidikan geologi, geofisika, geokimia, pengeboran uji,
dan pengeboran sumur eksplorasi yang bertujuan untuk
memperoleh dan menambah informasi kondisi geologi
bawah permukaan guna menemukan dan mendapatkan
perkiraan potensi panas bumi.
PP No. 59/2007: Tahapan Kegiatan Usaha Panas Bumi
•
Studi kelayakan adalah tahapan kegiatan Usaha
Pertambangan Panas Bumi untuk memperoleh informasi
secara rinci seluruh aspek yang berkaitan untuk menentukan
kelayakan usaha pertambangan Panas Bumi, termasuk
penyelidikan atau studi jumlah cadangan yang dapat
dieksploitasi.
Kegiatan Survei dan Eksplorasi
Kegiatan Survei dan Eksplorasi (Permen ESDM 11-2008)
1. A. Data geosains
a) Survei geologi
b) Survei geofisika
c) Survei geokimia
d) Survei landaian suhu
e) Pemboran eksplorasi
B. Sistem Panas Bumi
Kegiatan Survei dan Eksplorasi (Permen ESDM 11-2008)
2. Status lahan (tata ruang dan penggunaan lahan)
a) Pertambangan
b) Kehutanan
c) Perkebunan/transmigrasi
d) Tata ruang
Survei Geologi
•
Kegiatan:
 Survei Pendahuluan: penyelidikan geologi skala
1:100.000, termasuk pembahasan tentang analisis foto
udara/citra satelit, jenis dan distribusi satuan batuan,
struktur geologi, hidrogeologi, dan manifestasi panas
bumi.
 Eksplorasi: penyelidikan geologi skala 1:50.000
 Pemetaan di daerah vulkanik Kuarter diutamakan
menggunakan metode vulkanostratigrafi.
•
Hasil:
 Laporan survei, peta dan penampang
 Dapat mempertegas posisi/lokasi heat source
Survei Geofisika
•
Kegiatan:
 Survei Pendahuluan: penyelidikan geofisika skala
1:100.000, dengan metode minimal tahanan jenis cara
pemetaan (mapping) dan pendugaan (sounding).
 Eksplorasi: penyelidikan geologi skala 1:50.000 seperti di
atas, termasuk penentuan letak dan luas zona lapisan
konduktif dan lapisan resistif, serta daerah prospek.
 Penambahan data dengan metode MT, gaya berat dan
geomagnet.
•
Hasil:
 Laporan survei, peta dan penampang
 Ketebalan clay cap dan kedalaman puncak reservoir
panas bumi
Survei Geokimia
•
Kegiatan:
 Survei Pendahuluan: penyelidikan geokimia skala
1:100.000, dengan cara pengambilan contoh dan analisis
fluida panas bumi (air/uap/gas) dan tanah, termasuk
pembahasan tentang sifat fisik dan kimia serta komposisi
kimia fluida dan tanah serta geotermometri.
 Eksplorasi: penyelidikan geologi skala 1:50.000 seperti di
atas.
•
Hasil:
 Laporan survei dan diagram-diagram
 Dapat menentukan geotermometri di reservoir
 Menentukan sistem panas buminya
Geotermometer Unsur Terlarut
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Kuarsa – no steam loss
toC
1309
= -------------------- – 273
5.19 – log SiO2
Kuarsa – max steam loss
toC
1522
= -------------------- – 273
5.75 – log SiO2
Na-K (Fournier)
1271
toC = ------------------------- – 273
log (Na/K) + 1.483
Na-K (Giggenbach)
1390
toC = ------------------------- – 273
log (Na/K) + 1.75
Na-K-Ca
1647
toC = ---------------------------------------------------------– 273
1/2
log (Na/K) + b[log(Ca /Na) + 2.06] + 2.47
K-Mg
4410
toC = ------------------------– 273
2
14.0 – log (K /Mg)
SiO2, Na, K, Ca dan Mg dalam mg/kg
Pemboran Landaian Suhu & Eksplorasi
•
Kegiatan:
 Hanya dilakukan saat tahap eksplorasi
•
Hasil:
 Penampang gradien temperatur sumur
 Log komposit sumur
 Potensi Cadangan Mungkin (saat pemboran eksplorasi)
Survei Geosain Terpadu
•
Kegiatan:
 Kajian terpadu geologi, geofisika dan geokimia, serta
pemboran.
•
Hasil:
 Estimasi cadangan, minimal cadangan terduga
 Sistem panas bumi
Status Eksplorasi
Geothermal Potency
Perhitungan Potensi
•
Perhitungan potensi panas bumi bukan merupakan proses
yang statik, tapi harus dilakukan secara berkesinambungan
selama eksplorasi, pengembangan dan eksploitasi.
• Metode yang dilakukan:
 Memperkirakan aliran panas alamiah
 Membandingkan dengan lapangan lain
 Memperkirakan keluaran sumur yang telah ada
 Perhitungan volumetrik
Geological assurance
Undiscovered
Possible
Proven
Economic
Probable
Accessible
Subeconomic
~ 3 km
(Economic at future time)
Residual
Resource base
Resource
Energy which could be extracted economically and legally
in the near future
Inaccessible
Economic feasibilty
Useful
Identified
Reserve
That part of resources which could be extracted
economically and legally at present
Depth
Muffler and Cataldi (1978)
Kegiatan Survei dan Potensi
1. Survei Pendahuluan
 Sumber Daya Spekulatif
2. Eksplorasi
 Sumber Daya Hipotetis
3. Eksplorasi + Pemboran
Eksplorasi
 Cadangan Terduga
4. Studi Kelayakan
 Cadangan Mungkin
5. Pemboran Deliniasi
 Cadangan Terbukti
6. Pemboran Pengembangan
Perhitungan Potensi
1. Mengestimasi kehilangan
 sumber daya spekulatif
panas
(natural
heat
loss)
2. Membandingkan dengan daerah panas bumi lain yang
mempunyai kemiripan lapangan dan telah diketahui
potensinya  sumber daya hipotetis
3. Mengestimasi energi panas yang terkandung dalam batuan
maupun fluida  cadangan
4. Mengestimasi
kandungan
massa
fluida
dengan
memperhitungkan energi panas yang terdapat dalam fluida
(air panas maupun uap)  cadangan
Hilang Panas Alamiah vs Produksi
Hilang Panas Alamiah
Q ≈ m c (T – To)
m
f
V
T
To
c
= mass flowrate (kg/s) = V.f
= fluid density (kg/m3) = 1000 kg/m3
= volume flowrate (m3/s)
= temperature of discharge fluids
= mean annual temperature (or air ambient temperature)
= specific heat capacity (kJ/kg K) = 4.2 kJ/kg K
Hilang Panas Alamiah
•
Kesalahan (error) = 15%
•
Hilang panas dikaji berdasarkan
temperatur dan kondisi normal.
•
Tanah beruap, termasuk fumarola, hanya terbentuk pada
sistem panas bumi temperatur tinggi. Meskipun demikian
hilang panas alamiahnya sulit dihitung.
•
Transfer panas dari tanah beruap melalui mekanisme
konduksi dan konveksi.
•
Pada mekanisme konduksi, hilang panas dipengaruhi oleh
konduktivitas batuan.
perbedaan
gradien
Contoh Kasus
Sebuah lapangan panas bumi mempunyai manifestasi/keluaran
berupa mata air panas,
kolam air panas,
dan steaming ground
dengan fumarola.
Karakteristik manifestasi ini masing-masing akan diberikan.
Sumber daya spekulatif lapangan tsb?
Mata air panas
T = 80oC
V = 1 L/det
To = 20oC
Hilang Panas Alamiah Mata Air Panas
Q ≈ m c (T – To)
m
f
V
T
To
c
= mass flowrate (kg/s) = V.f
= fluid density (kg/m3) = 1000 kg/m3
= volume flowrate (m3/s)
= temperature of discharge fluids
= mean annual temperature (or air ambient temperature)
= specific heat capacity (kJ/kg K) = 4.2 kJ/kg K
Q = ............................................................................................
= ...........................................
Kolam air panas
To = 20oC
T = 70oC
Luas = 20 m2
Debit = 2 L/s
Hilang Panas Alamiah Kolam Air Panas
Q ≈ m c (T – To)
m
f
V
T
To
c
= mass flowrate (kg/s) = V.f
= fluid density (kg/m3) = 1000 kg/m3
= volume flowrate (m3/s)
= temperature of discharge fluids
= mean annual temperature (or air ambient temperature)
= specific heat capacity (kJ/kg K) = 4.2 kJ/kg K
Q = ............................................................................................
= ...........................................
dan evaporasi:
T (oC)
20
40
60
80
98.5
Qevaporasi
Qevaporasi (kJ/m2s)
0.35
1.3
3.7
9.2
~22
= A x (Qevaporasi,T – Qevaporasi,To) = ..................................................
= ..........................................
QTOTAL
= ...............................................
Fumarola
Suara gemuruh
To = 20oC
R = radius = 50 cm = 0,5 m
T  boiling point = 100oC
Hilang Panas Alamiah Fumarola
Asumsi :
Diam
Gemuruh
vv < 10 m/s
vv > 10 m/s
Vv =  R2 = 3.14 x 0.52 x 10 m3/s
= 7,85 m3/s
mv = 7,85 m3/s x 0,5 kg/m3 = 3,925 kg/s
Q = ............................................................................................
= ...........................................
Tanah beruap
Gradien temperatur normal = 0,03oC/m
Konduktivitas batuan rata-rata = 2,4 W/moC
Luas = 2 km2
Gradien temperatur = 2oC/m
Hilang Panas Alamiah Tanah Beruap
Q = ............................................................................................
= ...........................................
 Konduktif
Hilang Panas Alamiah Total
QTOTAL
=
Qmata
≈
.............................................................
≈
.............................................................
≈
.............  Hilang panas alamiah
air
+ Qkolam
air
+ Qfumarola + Qtanah
beruap
 Sumber daya spekulatif = ..............
Hilang Panas Alamiah (Ringkasan)
•
Manifestasi yang semakin panas:
 makin tinggi hilang panas alamiah
•
Manifestasi semakin luas:
 makin tinggi hilang panas alamiah
•
Tanah beruap dengan fumarola:
 tinggi hilang panas alamiah  sistem temperatur tinggi
•
Rembesan/seepage:
 sangat rendah hilang panas alamiah  tidak signifikan
Kesimpulan
1. Manifestasi panas
bumi yang muncul di permukaan
memberikan gambaran tentang kondisi di bawah permukaan
(reservoir), termasuk besar potensi panas bumi.
2. Potensi panas bumi dihitung secara kontinu dan
berkesinambungan tergantung pada tahap kegiatan/survei
yang dilakukan. Semakin detil survei dilakukan, semakin
tinggi keyakinan (geologi dan ekonomi) terhadap
perhitungan potensi.
3. Sangatlah penting untuk menghitung sumber daya spekulatif
panas bumi, karena besarannya akan menentukan langkah
pengusahaan energi panas bumi selanjutnya.
Terima Kasih