W najgłębszej nieczynnej kopalni złota w zachodniej Dakocie Południowej, w Ameryce Północnej, prawie 600 km przestrzeni stało się podziemnym ośrodkiem badawczym Sanford. Przestrzeń Sanford Lab, czyli SURF jest obecnie wykorzystywana w 27 projektach badawczych, od biologii po geologię, jak opisano w artykule z Pacific Northwest National Laboratory.

Z podziemnych pracowni korzystają naukowcy z ośmiu uniwersytetów i 10 laboratoriów krajowych, w tym Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), używają pełnowymiarowego podziemnego laboratorium do badań potencjału energii geotermalnej. Projekt Enhanced Geothermal Systems Collab Project (EGS Collab), weryfikuje modele ulepszonego zachowania zbiorników geotermalnych, badając, w jaki sposób energia geotermalna może pewnego dnia zapewnić energię dla 10 milionów domów. Poprzez transmisje na żywo testów walidacyjnych EGS Collab zapewnia międzynarodową scenę dla badań geotermalnych.

Szczelinowanie i ścinanie hydrauliczne

W ciągu ostatnich czterech lat EGS Collab finansowany przez Biuro Technologii Geotermalnych Departamentu Energii USA prowadził badania nad szczelinowaniem hydraulicznym. Celem EGS Collab jest stworzenie modeli predykcyjnych tworzenia szczelin, w celu poprawy efektywności systemów energii geotermalnej.

Badania te opierały się na wcześniejszych wynikach, uzyskanych dzięki przeprowadzonemu eksperymentu w ramach projektu Stimulation Investigations for Geothermal Modeling Analysis (SIGMA-V). Szczelinowanie hydrauliczne polega na utworzeniu szczeliny poprzez wtryskiwanie płynu pod wysokim ciśnieniem do głębokich formacji skalnych. Proces ten jest ogólnie określany mianem szczelinowania. W przeciwieństwie do zastosowań w skali komercyjnej, związanych z ropą i gazem, stymulacja w EGS Collab wykorzystuje strumień wody bez dodatkowych substancji chemicznych, czy też materiału piaszczystego.

W przypadku szczelinowania hydraulicznego zimna woda pod ciśnieniem najpierw powoduje mikropęknięcia w skale, które ulegają powiększeniu, a następnie wtłaczana ciecz przepływa przez powstałe otwory, transportując ciepło. Pobrana energia, wytwarza parę, która jest wypompowywana na powierzchnię, poruszając turbiny i wytwarzając energię elektryczną. W swoich badaniach zespół EGS wykorzystał specjalistyczny sprzęt monitorujący, aby przekazać uzyskane dane zespołom naukowym do dalszych prac nad procesem szczelinowania.

Naukowcy wtłaczają wodę pod ciśnieniem, aby stymulować skały i otwarte szczeliny między dwoma 60-metrowymi otworami wiertniczymi. Z kolei z pomocą osprzętowania geofizycznego, w pozostałych sześciu otworach jest prowadzony monitoring aktywności w czasie rzeczywistym.  

Dane wskazują, na istotę zależności, zarówno w czasie, jak i przestrzeni, dotyczącą formacji skalnych i ich zmienności – skomentował Hunter Knox, główny badacz PNNL EGS Collab i sejsmolog.

W kolejnej fazie badań EGS Collab zespół ma za zadanie ustalić, czy ścinanie hydrauliczne jest skuteczną metodą stymulacji skał. Ścinanie hydrauliczne występuje w istniejących pęknięciach i przypuszcza się, że ułatwia większy transfer ciepła z najgłębszych i najgorętszych formacji skalnych.

Niestety w związku z obostrzeniami spowodowanymi przez pandemię COVID-19 ograniczającymi podróżowanie członków EGS Collab oraz innych pracowników naukowych, lokalni wykonawcy wspomagają prace w SURF. W ubiegłym miesiącu firma DA Smith Drilling Company rozpoczęła wiercenia dziewięciu otworów na stanowisku testowym SURF - pięć otworów będzie przeznaczonych do wtłaczania lub odbierania wody, a cztery pozostałe otwory zostaną wykorzystane monitoringu postępu procesu w formacjach skalnych. RESPEC, firma inżynieryjna z Rapid City, zapewnia pomiary w nowopowstałych otworach wiertniczych, w celu zapewnienia podstawowej oceny podłoża skalnego.

Transmisja online

Kiedy EGS Collab rozpocznie testowanie technik ścinania hydraulicznego na głebokości 4100 stóp, zespół będzie transmitował postęp prac dla globalnej publiczności. Dotychczasowa transmisja na żywo, z prowadzonych prac badawczych trwała 30 dni.

„Nigdy nie odbyliśmy zamkniętego spotkania” - powiedział Tim Kneafsey, naukowiec z Lawrence Berkeley National Laboratory i główny badacz EGS Collab.

„Nie chcemy, aby był to zamknięty projekt. Często naukowcy wychodzą w teren, przeprowadzają badania i eksperymenty, wracają z ryzą danych. Podajesz ją analitykowi i mówisz: „Rozwiąż to”. Jednak w przypadku EGS Collab naukowcy i modelarze numeryczni pracują ramię w ramię podczas eksperymentu, próbując rozwiązać problem, i to naprawdę poprawia uzyskany efekt finalny" – dodaje Tim Kneafsey.

Dane z badań EGS zostaną wykorzystane w Frontier Observatory for Research in Geoterm Energy (FORGE), aby pomóc w opracowaniu technologii umożliwiających wydobycie energii geotermalnej z dowolnego miejsca w Stanach Zjednoczonych, które ma wystarczającą ilość ciepła. Dane z projektu EGS Collab pomogą naukowcom z FORGE zidentyfikować technologie, które pozwolą na zwiększenie skali, ostatecznie sprawiając, że te systemy wymiany ciepła będą ekonomicznie zrównoważone, ekologiczne i dostępne.