Geothermal Energy for Everyone

Pre-Workshop CourseBandung, 5 Maret 2012

Schedule

08.00 – 12.00 : Geothermal SystemGeothermal Exploration

13.00 – 17.00 : Geothermal Production and UtilizationEnvironmental AspectsGeothermal Economics

Introduction

Bumi

BumiStruktur Bumi

dan Gradien Geotermal

30oC/km

Rata-rata 1oC/km

GradienTemperatur

Tem

pera

tur (

o C)

Jari-jari (km)

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.

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).

(IGA, 2004)Sumber panas

Reservoir

Daerah resapan

Daerah resapan Manifestasidi permukaanSumur

panas bumi

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 magmatic-hydrothermal system.

Volcanic-Hydrothermal System

Lawless (2008)

Continental Types(eg. New Zealand)

Islans-arc Types(eg. Indonesia)

Terrain Flat High (strato volcano)

Heat source Silisic volcanics, deep intrusives Andesite – dacite, shallow intrusives

Origin of fluid Meteoric Meteoric – magmatic

Recharge High elevation Low elevation

Salinity Low Moderate

Primary pH Neutral Neutral – acid

Vapour zone Rare Common

Upflow Steam – water discharge Steam discharge

Lateral outflow Minor Extensive, water discharge

Note Easy to explore with shallow wells Problems during exploration

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

Non volcanic systemTotal potential: 29,038 MW at 276 fieldsResources: 13171 MW and Reserves: 15867 MWInstalled capacity: 1196 MWe

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

Hochstein (1990)

Temperatur Reservoir

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)

(Haas, 1971)

250oC

(Lawless, 2008)

Boiling and Condensation

Fluida HidrotermalReservoir water, 1,000-10,000 mg/kg Cl, neutral pH, trace of CO2 & H2S, SiO2 rich.

Steam heated, near surface water, pH of acid to near neutral

Magmatic fluid,

strong acid

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 HCO3

-

• Terbentuk 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 = concealed discharge (e.g. seepage/rembesan sungai)

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

1. Kuarsa – no steam loss 1309toC = -------------------- – 273 5.19 – log SiO2

2. Kuarsa – max steam loss 1522toC = -------------------- – 273 5.75 – log SiO2

3. Na-K (Fournier) 1271toC = ------------------------- – 273 log (Na/K) + 1.483

4. Na-K (Giggenbach) 1390toC = ------------------------- – 273 log (Na/K) + 1.75

5. Na-K-Ca 1647toC = ---------------------------------------------------------- – 273 log (Na/K) + b[log(Ca1/2/Na) + 2.06] + 2.47

6. K-Mg 4410toC = ------------------------- – 273 14.0 – log (K2/Mg)

Geotermometer Unsur Terlarut

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 assuranceEc

onom

ic fe

asib

ilty

Resid

ual

Sube

cono

mic

Depth

(Economic at future time)

Resource

Reserve

Identified Undiscovered

Reso

urce

bas

e

Acce

ssib

leIn

acce

ssib

le

Usef

ul Econ

omic

Energy which could be extracted economically and legally in the near future

That part of resources which could be extracted economically and legally at present

~ 3 km

Prov

en

Prob

able

Poss

ible

Muffler and Cataldi (1978)

Kegiatan Survei dan Potensi1. Survei Pendahuluan

2. Eksplorasi

3. Eksplorasi + Pemboran Eksplorasi

4. Studi Kelayakan

5. Pemboran Deliniasi

6. Pemboran Pengembangan

Sumber Daya Spekulatif

Sumber Daya Hipotetis

Cadangan Terduga

Cadangan Mungkin

Cadangan Terbukti

Perhitungan Potensi

1. Mengestimasi kehilangan panas (natural heat loss) sumber daya spekulatif

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 = mass flowrate (kg/s) = V.f

f = fluid density (kg/m3) = 1000 kg/m3

V = volume flowrate (m3/s)T = temperature of discharge fluidsTo = mean annual temperature (or air ambient

temperature)c = specific heat capacity (kJ/kg K) = 4.2 kJ/kg K

Hilang Panas Alamiah

• Kesalahan (error) = 15%

• Hilang panas dikaji berdasarkan perbedaan gradien 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.

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.

Contoh Kasus

Sumber daya spekulatif lapangan tsb?

Mata air panas

V = 1 L/det

T = 80oC

To = 20oC

Hilang Panas Alamiah Mata Air Panas

Q = ............................................................................................= ...........................................

Q ≈ m c (T – To)m = mass flowrate (kg/s) = V.f

f = fluid density (kg/m3) = 1000 kg/m3

V = volume flowrate (m3/s)T = temperature of discharge fluidsTo = mean annual temperature (or air ambient

temperature)c = specific heat capacity (kJ/kg K) = 4.2 kJ/kg K

Kolam air panas

Luas = 20 m2

To = 20oC

T = 70oC

Debit = 2 L/s

Hilang Panas Alamiah Kolam Air Panas

Q = ............................................................................................= ...........................................

Q ≈ m c (T – To)m = mass flowrate (kg/s) = V.f

f = fluid density (kg/m3) = 1000 kg/m3

V = volume flowrate (m3/s)T = temperature of discharge fluidsTo = mean annual temperature (or air ambient

temperature)c = specific heat capacity (kJ/kg K) = 4.2 kJ/kg K

dan evaporasi:

Qevaporasi = A x (Qevaporasi,T – Qevaporasi,To) = .................................................. = ..........................................

T (oC) Qevaporasi (kJ/m2s)20 0.3540 1.360 3.780 9.2

98.5 ~22

QTOTAL = ...............................................

Fumarola

To = 20oC

R = radius = 50 cm = 0,5 m

T boiling point = 100oC

Suara gemuruh

Asumsi :Diam vv < 10 m/sGemuruh 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 = ............................................................................................= ...........................................

Hilang Panas Alamiah Fumarola

Tanah beruap

Luas = 2 km2

Gradien temperatur = 2oC/m

Gradien temperatur normal = 0,03oC/mKonduktivitas batuan rata-rata = 2,4 W/moC

Hilang Panas Alamiah Tanah Beruap

Konduktif

Q = ............................................................................................= ...........................................

Hilang Panas Alamiah TotalQTOTAL = Qmata air + Qkolam air + Qfumarola + Qtanah beruap

≈ .............................................................

≈ .............................................................

≈ ............. Hilang panas alamiah

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