Asi míli pod zemským povrchem ve starém zlatém dole postavili vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) observatoř, která má zkoumat, jak se horniny lámou. Znalosti, které získají, by nakonec mohly pomoci snížit emise skleníkových plynů a urychlit zavádění technologií čisté energie.
Observatoř je součástí iniciativy ministerstva energetiky (DOE), která se snaží řešit problémy spojené s využíváním podpovrchu pro získávání energie a ukládání odpadu. Iniciativa nazvaná SubTER - nebo Subsurface Technology and Engineering Research, Development and Demonstration Crosscut - uznává, že Spojené státy v současné době spoléhají na podpovrchový zdroj z více než 80 procent svých energetických potřeb a že adaptivní kontrola podpovrchových zlomů a proudění tekutin je průřezovou výzvou. která má potenciál změnit strategie výroby energie a skladování odpadu.
„Jakkoli je podpovrchová vrstva důležitá pro energetickou strategii USA, naše chápání toho, jak podpovrchová vrstva reaguje na běžné poruchy, jako jsou ty, které jsou způsobeny vytahováním tekutin nebo jejich zatlačováním dovnitř, je docela hrubé,“řekla Susan Hubbard, zástupce ředitele Berkeley Lab, který pomáhá vést tým SubTER National Laboratory. „Nejsme schopni manipulovat s podpovrchem pomocí kontroly, která může zaručit, že nejen maximalizujeme produkci energie nebo ukládání odpadu, ale že také chráníme naše životní prostředí – včetně minimalizace emisí skleníkových plynů, dopadů na podzemní vody a indukovaná seismicita. To je značná mezera."
Velká výzva: Ovládání podpovrchu
Vědci z několika národních laboratoří ministerstva energetiky přispívají k projektu SubTER, který byl spuštěn minulý rok poté, co ministr energetiky Ernest Moniz označil adaptivní řízení podpovrchu za jednu z „velkých výzev DOE“.
"Víme, že podpovrchová vrstva bude stále velkou součástí naší energetické strategie po mnoho příštích desetiletí," řekl Hubbard. "Tuto iniciativu jsme zahájili s vědomím, že ať už jde o staré energetické strategie, jako je ropa a plyn, nebo nové strategie, jako je lepší geotermální nebo zachycování a sekvestrace uhlíku, musíme skutečně získat kontrolu nad podpovrchem."
Jedním z klíčů k získání kontroly je pochopení toho, jak se skály lámou, abyste to mohli ovládat nebo tomu zabránit, v závislosti na aplikaci. "Zajímá nás schopnost tekutin pohybovat se trhlinami a póry," řekl geolog z Berkeley Lab Patrick Dobson. "U některých aplikací, jako jsou inženýrské geotermální systémy, chcete, aby se tekutiny pohybovaly, aby těžily teplo z podpovrchu, takže chcete vytvářet trhliny. V jiných, jako je zachycování a sekvestrace uhlíku, se více zajímáme o vytváření určitě zlomeniny nerostou."
Pro získání prediktivního pochopení kontroly zlomenin vede Berkeley Lab projekt SubTER na vývoj podzemní observatoře a provádění integrovaných experimentů a geofyzikálního zobrazování. Podzemní observatoř se nachází v Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě, na místě bývalého zlatého dolu, který je nyní především výzkumnou laboratoří pro částicovou fyziku. Tým Berkeley Lab vybral jednu část zařízení v hloubce 4 850 stop pod zemí, aby zřídil svou observatoř nazvanou kISMET pro propustnost [k] a řízení indukované seismice pro energetické technologie.
Získávání energie pochopením kamenů
Společně vedený Dobsonem a geologem z Berkeley Lab Curtem Oldenburgem tým kISMET vyvrtal a vyhloubil čtyři 50 metrů hluboké monitorovací vrty a 100 metrů hluboký experimentální vrt. "V podstatě se snažíme porozumět vztahu mezi stresovým polem, horninovou strukturou a štěpením," řekl Oldenburg.
Vědci vstřikovali do skály malé množství vody pod velmi vysokým tlakem, dokud se skála nezlomila. "Díváme se na tlak, který vytváří novou trhlinu, a na průtok a objem vody, která jde do trhliny, abychom odhadli její velikost," řekl Oldenburg."Poté se vracíme zpět s nástroji pro těžbu vrtů, abychom určili orientaci zlomu. Zároveň provádíme určité podrobné monitorování procesu lámání. Konkrétně měříme elektrický odpor horniny v téměř reálném čase a seismické vlastnosti horniny. Měříme také mikroseismicitu spojenou s lámáním."
Experimenty kISMET jsou nejrelevantnější pro vylepšené geotermální systémy (EGS), technologii čisté energie, při které se v horkých horninách v podpovrchu vytvářejí podzemní zlomy, aby se vstřikovala voda a extrahovalo teplo. EGS má potenciál generovat dostatek čisté energie pro napájení milionů domácností, ale vědci stále potřebují lepší metody pro řízení propustnosti hornin.
Skála v Sanford Lab je podobná hluboké krystalické hornině nalezené v mnoha geotermálních systémech. "Jedním z klíčových problémů je pochopení stavu namáhání skály, který pravděpodobně určuje směr, kterým se skála pravděpodobně zlomí a kde k tomu dojde," řekl Dobson.
Kromě geotermální energie bude kISMET relevantní pro řadu dalších aplikací. "Zlomeniny a jejich vztah k napětí a horninové struktuře jsou velmi důležité pro sekvestraci uhlíku, ropu a plyn a izolaci jaderného odpadu, protože proudění tekutiny se často vyskytuje přednostně ve zlomech," řekl Oldenburg.
Experimenty by také mohly být užitečné pro lepší pochopení seismicity, která je výsledkem likvidace velkých objemů vody produkované nekonvenčními ropnými a plynovými vrty vytvořenými „frackováním“; je známo, že vstřikování odpadní vody má za následek malá zemětřesení. "V kISMET bude naše citlivé vybavení schopné detekovat mikroseismicitu spojenou s našimi experimenty se vstřikováním vody," řekl Oldenburg. "Můžeme se dozvědět o detekci a lokalizaci mikroseismických událostí v hluboké krystalické hornině z našich vysoce kontrolovaných experimentů."
Kromě kISMET společnost DOE nedávno oznámila, že investuje 11 dolarů.5 milionů v osmi projektech SubTER zaměřených na rozvoj geotermální energie a technologií skladování uhlíku. Vědci z Berkeley Lab se zúčastní dvou z nich, včetně projektu v hodnotě 684 000 USD na nasazení a ověření systému monitorování oxidu uhličitého společnosti GPUSA Inc. a projektu v hodnotě 1,5 milionu USD na využití pasivní seismické emisní tomografie k pokroku v zobrazování a charakterizaci geotermální permeability v geotermální pole San Emidio v Nevadě.
Schopnosti geofyzikálního zobrazování společnosti Berkeley Lab jsou jen jednou ze silných stránek, které přináší do výzvy adaptivního řízení podpovrchu. "Máme celou řadu základních odborných znalostí z aplikované geovědy," řekl Hubbard. "Na základní straně máme schopnost prozkoumat, jak hydrologické, geomechanické a geochemické komponenty interagují, aby poskytly složenou odezvu na poruchu. Na straně aplikace jsme schopni použít naše zařízení Geosciences Measurement Facility k testování teorie, senzorů, a modely za příslušných tlakových a teplotních podpovrchových podmínek. Tento rozsah schopností je potřeba k tomu, abychom pokročili v naší schopnosti s jistotou manipulovat s podpovrchem."
