Der Fluss elektrischer Stromsignale ändert sich in Brüchen tief unter der Erde.
Durch Christina Nunez
Sengend heißer Granit tief unter der Erde kann durch das Öffnen von Rissen im Gestein Energie gewonnen werden. Diese potenzielle Ressource, die als verbesserte Geothermie bekannt ist, erfordert ein klares Gefühl für die Veränderungen im Gestein im Laufe der Zeit – ein komplexes Bild, das schwer zu erfassen sein kann.
Ein Team unter der Leitung von Forschern von Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat einen neuen Weg zur Überwachung tiefer unterirdischer Brüche demonstriert. Die Technik, die elektrische Widerstandstomographie (ERT), misst unterirdische Veränderungen durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit im Gestein. ERT erzeugt 4D – also 3D plus Zeitraffer – Bilder des Untergrunds.
Was ist ein verbessertes geothermisches System?
Herkömmliche geothermische Systeme basieren auf Wasser und Fließwegen, die bereits in heißem Gestein vorhanden sind. Ein verbessertes geothermisches System nutzt die in trockenem Gestein eingeschlossene Wärme durch Einbringen von Wasser und Rissen. Die Betreiber bohren zwei unterirdische Bohrlöcher Tausende von Fuß unter der Oberfläche und injizieren dann Flüssigkeit mit hohem Druck, um das Gestein zwischen den Bohrlöchern aufzubrechen. Der Aufschlussprozess für Hitze ähnelt dem sogenannten „Fracking“ von Schiefergestein, um Öl und Gas freizusetzen.
Temperaturen auf diesem Niveau können über 200 °C (392 °F) erreichen. Wasser, das von einem Brunnen zum anderen und wieder an die Oberfläche gepumpt wird, sammelt die Wärme aus dem Gestein und erzeugt Dampf, der eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben kann.
Verbesserte geothermische Systeme könnten bieten schätzungsweise 100 Gigawatt Strom — genug, um 100 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen. Solche Systeme erfordern jedoch teure Bohrungen und benötigen eine bessere Überwachung und Vorhersage von unterirdischen Veränderungen, um die mit einem bestimmten Projekt verbundenen Unsicherheiten und Risiken zu verringern.
Wie jede unterirdische Umgebung ändern sich verbesserte geothermische Systeme im Laufe der Zeit. Brüche im Gestein öffnen und schließen sich als Reaktion auf Spannungen, die durch Hochdruckflüssigkeitsinjektionen verursacht werden, und verändern die Wärmeleistung des Systems. Seismische Aktivität ist ein Indikator für unterirdischen Stress, aber die Informationen aus der mikroseismischen Überwachung sind begrenzt.
„In diesen tiefen, heißen Gesteinen ist es zu teuer, genügend Überwachungsbrunnen zu bohren, um mithilfe direkter Probennahme zu verstehen, was vor sich geht“, sagte Tim Johnson, Computerwissenschaftler bei PNNL wer die Studie mitverfasst hat. „Der Hauptfokus dieses Projekts besteht darin, besser zu verstehen und letztendlich vorherzusagen, wie sich Frakturen in einer Umgebung mit hoher Belastung verhalten, wenn man versucht, sie zwischen zwei Bohrlöchern zu verbinden.“
Ein klareres Bild des Untergrunds bekommen
Bei der ERT werden Metallelektroden in Überwachungsbohrlöchern platziert und dann die Leitfähigkeit des Gesteins abgebildet, wenn elektrischer Strom zwischen ihnen geleitet wird. Erhöhungen der Leitfähigkeit im Laufe der Zeit zeigen, wo sich Brüche öffnen; wenn Brüche schmaler oder geschlossen sind, sinkt die Leitfähigkeit. Johnson entwickelt Software namens E4D das auf Supercomputersystemen arbeitet und all diese elektrischen Informationen in ein Bild umwandelt, das ein bisschen wie eine Heatmap aussieht und die Schwankungen der Leitfähigkeit im Laufe der Zeit zeigt. E4D hat gewonnen und F&E 100-Auszeichnung im Jahr 2016.
Zeitraffer-Tomographie mit elektrischem Widerstand. (Zeitraffer von Tim Johnson, et al. | Pacific Northwest National Laboratory)
“Es ist ähnlich wie bei der medizinischen Bildgebung, außer dass Sie einen Zeitraffer machen”, sagte Johnson. „Sie beobachten also, wie sich die Dinge ändern, und normalerweise hängt die Änderung damit zusammen, wie die Flüssigkeit im Untergrund strömt.“
Johnson und andere Forscher am PNNL haben bei der Verwendung von ERT als 3D-Überwachungswerkzeug und E4D in geringeren Tiefen von bis zu 350 Fuß Pionierarbeit geleistet, wo es verwendet wurde, um Verunreinigungen erkennen und verfolgen, zum Beispiel. Um es im tiefen Untergrund zu testen, setzte das Team es am Untergrundforschungseinrichtung Sanford in Blei, South Dakota. Die Arbeit, die vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des Department of Energy (DOE) durch sein Geothermal Technologies Office unterstützt wird, ist Teil einer größeren Zusammenarbeit im gesamten DOE, um den Zugang zu natürlichen Ressourcen und Speichern im Untergrund zu verbessern. Das Lawrence Berkeley National Laboratory leitet die Bemühungen, bekannt als die Enhanced Geothermal Systems (EGS) Collab. Zu den Partnerlaboren gehören PNNL, Sandia National Laboratories, Lawrence Livermore National Laboratory, Idaho National Laboratory und Los Alamos National Laboratory.
Pionierarbeit für ein neues Bildgebungsverfahren im Untergrund
Die Absicht der ERT-Überwachung in Sanford bestand darin, den Flüssigkeitsfluss zu überwachen, wie es auf flacheren Ebenen getan worden war. Aber die Ergebnisse schienen zunächst nicht mit diesen früheren Anwendungen übereinzustimmen.
Das experimentelle Testbed befindet sich in einem Minentunnel 4.850 Fuß unter der Oberfläche in der Sanford Underground Research Facility. (Foto von Hunter Knox | Pacific Northwest National Laboratory)
Nach jahrelanger Suche nach einer Antwort fand Johnson sie in wissenschaftlichen Arbeiten aus den 1960er und 1970er Jahren. Forscher des Massachusetts Institute of Technology und des Lawrence Berkeley National Laboratory hatten Veränderungen der Leitfähigkeit von kristallinem Gestein als Reaktion auf Stress beobachtet – das Zusammendrücken des Gesteins in Laborexperimenten machte es weniger leitfähig. Dies bedeutete, dass die ERT nicht einfach der Flüssigkeit unter der Erde folgte. Es zeichnete das Öffnen und Schließen von Brüchen als Reaktion auf Stress auf. „Was wir bei den Änderungen der Leitfähigkeit sahen, ergab in Bezug auf den Flüssigkeitsfluss keinen Sinn“, sagte Johnson. Aber wenn die Leitfähigkeit nicht die Bewegung von Flüssigkeiten widerspiegelte, was zeigte sie dann?
“Nachdem wir diese Verbindung hergestellt hatten, ergab alles einen Sinn in Bezug auf die Zeitrafferbilder”, sagte Johnson.
ERT bietet mehrere Vorteile. Da keine beweglichen Teile und Elektroden außerhalb des Bohrlochgehäuses installiert sind, ist die Ausrüstung wartungsarm und kann während der Injektionen betrieben werden. Und die Bildgebung erfolgt in Echtzeit und gibt den Anlagenbetreibern Feedback, das sie bei Bedarf fast sofort verwenden können. ERT kann jedoch nicht mit metallischen Bohrlochverrohrungen verwendet werden, die in tiefen unterirdischen Projekten allgegenwärtig sind.
Es gibt Möglichkeiten, diese Hürde zu umgehen, z. B. die Verwendung eines Glasfasergehäuses, das Beschichten des Gehäuses mit einem nichtmetallischen Epoxid oder die Verwendung eines anderen, nichtmetallischen Materials insgesamt. Aber im Moment verbessern und testen Johnson und sein Team den Einsatz von ERT in der Anlage in Sanford weiter.
Das Papier, “4D-Proxy-Bildgebung von Frakturdilatation und Spannungsschatten unter Verwendung der elektrischen Widerstandstomographie während Hochdruckinjektionen in eine kristalline Gesteinsformation“ wurde im Oktober in der . veröffentlicht Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Feste Erde. Co-Autoren mit Johnson waren Jeff Burghardt, Chris Strickland, Hunter Knox, Vince Vermeul und Mark White von PNNL; Paul Schwering und Doug Blankenship von den Sandia National Laboratories; Tim Kneafsey vom Lawrence Berkeley National Laboratory; und das Team von EGS Collab.
Mit freundlicher Genehmigung von Pacific Northwest National Laboratory.
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