Araştırmacılar jeotermal için derin kaya kırıklarını incelemeye öncülük ediyor

Model ısı iletkenliği haritası (kaynak: PNNL)

Merve Uytun 21 Ara 2021

Derin yeraltındaki kavurucu derecede sıcak granit, kayada çatlaklar açarak enerji için kullanılabilir. Gelişmiş jeotermal enerji olarak bilinen bu potansiyel kaynak, zaman içinde kayada meydana gelen değişikliklerin net bir şekilde algılanmasını gerektirir – yakalaması zor olabilen karmaşık bir resim, dolayısıyla Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) tarafından yapılan bir haber güncellemesi.

PNNL’deki araştırmacılar tarafından yönetilen bir ekip, derin yüzey altı kırıklarını izlemenin yeni bir yolunu gösterdi. Teknik olan elektrik özdirenç tomografisi (ERT), kayadaki elektriksel iletkenliği ölçerek yeraltındaki değişiklikleri ölçer. ERT, yeraltı yüzeyinin 4B (yani 3B artı hızlandırılmış) görüntülerini üretir.

Gelişmiş bir jeotermal sistem nedir?

Geleneksel jeotermal sistemler, sıcak kaya içinde halihazırda mevcut olan su ve akış yollarına dayanır. Gelişmiş bir jeotermal sistem, su ve çatlaklar oluşturarak kuru kaya içinde hapsolmuş ısıyı toplar. Operatörler, yüzeyin binlerce fit altında iki yeraltı kuyusu açar ve ardından kuyular arasındaki kayayı kırmak için yüksek basınçta sıvı enjekte eder. Isı için kırma işlemi, petrol ve gazı serbest bırakmak için şeyl kayasını “kırma” olarak bilinen şeye benzer.

Bu seviyedeki sıcaklıklar 200 ºC’nin (392 ºF) üzerine çıkabilir. Bir kuyudan diğerine pompalanan ve tekrar yüzeye çıkan su, kayadan ısı toplayarak elektrik için bir türbini çalıştırabilecek buhar üretir.

Gelişmiş jeotermal sistemler, tahmini 100 gigawatt elektrik sağlayabilir – 100 milyon eve güç sağlamaya yetecek kadar. Ancak bu tür sistemler pahalı sondaj içerir ve belirli bir projeyle ilişkili belirsizliği ve riski azaltmak için yeraltı değişikliklerinin daha iyi izlenmesi ve tahmin edilmesi gerekir.

Herhangi bir yeraltı ortamı gibi, gelişmiş jeotermal sistemler de zamanla değişir. Kayadaki çatlaklar, yüksek basınçlı sıvı enjeksiyonlarının neden olduğu gerilmelere yanıt olarak açılıp kapanır ve sistemin ısı çıkışını değiştirir. Sismik aktivite, yeraltı stresinin bir göstergesidir, ancak mikrosismik izlemeden elde edilen bilgiler sınırlıdır.

PNNL’de çalışmanın ortak yazarı olan bir hesaplama bilimcisi olan Tim Johnson, “Bu derin, sıcak kayalarda, doğrudan örneklemeyi kullanarak neler olup bittiğini anlamak için yeterli izleme kuyusu açmak çok pahalı” dedi. “Bu projenin birincil odak noktası, iki kuyu arasında bağlantı kurmaya çalıştığınızda yüksek stresli bir ortamda kırıkların nasıl davranacağını daha iyi anlamak ve nihayetinde tahmin etmektir.”

Daha net bir yeraltı resmi elde etmek

ERT, metal elektrotları izleme sondajlarına yerleştirmeyi ve ardından aralarında bir elektrik akımı gönderildiğinde kayanın iletkenliğini görüntülemeyi içerir. İletkenlikteki fazla mesai artışları, kırıkların nerede açıldığını gösterir; kırıklar daha dar veya kapalı olduğunda iletkenlik düşer. Johnson, süper bilgi işlem sistemlerinde çalışan ve tüm bu elektrik bilgilerini ısı haritasına benzeyen ve zamanla iletkenlikteki değişiklikleri gösteren bir görüntüye dönüştüren E4D adlı bir yazılım geliştirdi. E4D, 2016 yılında bir Ar-Ge 100 Ödülü kazandı.

Burada oluşturulan modelin animasyonunu inceleyin.

Johnson, “Tıbbi görüntülemeye benziyor, ancak hızlandırılmış bir işlem yapıyor olmanız dışında” dedi. “Yani işlerin nasıl değiştiğini izliyorsunuz ve genellikle değişiklik, sıvının yeraltında nasıl aktığıyla ilgili.”

Johnson ve PNNL’deki diğer araştırmacılar, örneğin kirleticileri tespit etmek ve izlemek için kullanıldığı yerlerde, 3D izleme aracı olarak ERT’nin ve 350 fit’e kadar daha sığ derinliklerde E4D’nin kullanılmasına öncülük ettiler. Derin yeraltında test etmek için ekip, onu Güney Dakota’daki Lead’deki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’ne yerleştirdi. Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi tarafından Jeotermal Teknolojileri Ofisi aracılığıyla desteklenen çalışma, doğal kaynaklara ve yeraltındaki depolamaya erişimi geliştirmek için DOE genelinde daha büyük bir işbirliği çabasının bir parçasıdır. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, Gelişmiş Jeotermal Sistemler (EGS) İşbirliği olarak bilinen çabaya öncülük ediyor. Ortak laboratuvarlar arasında PNNL, Sandia Ulusal Laboratuvarları, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı, Idaho Ulusal Laboratuvarı ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarı bulunmaktadır.

Yeni bir yeraltı görüntüleme tekniğine öncülük etmek

Sanford’daki ERT izlemesinin amacı, daha sığ seviyelerde yapıldığı gibi sıvı akışını izlemekti. Ancak sonuçlar başlangıçta bu önceki kullanımlarla uyumlu görünmüyordu.

Johnson, “İletkenlikteki değişikliklerde gördüğümüz şey, sıvı akışı açısından bir anlam ifade etmiyordu” dedi. Ancak iletkenlik sıvıların hareketini yansıtmıyorsa neyi gösteriyordu?

Yıllarca bir cevap aradıktan sonra, Johnson bunu 1960’lar ve 1970’lerdeki bilimsel makalelerde buldu. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve ayrıca Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, strese tepki olarak kristal kayaların iletkenliğinde değişiklikler gözlemlediler; laboratuvar deneylerinde kayayı sıkıştırmak onu daha az iletken yaptı. Bu, ERT’nin sadece yeraltındaki sıvıyı takip etmediği anlamına geliyordu. Strese tepki olarak kırıkların açılıp kapanmasının grafiğini çiziyordu.

Johnson, “Bu bağlantıyı kurduğumuzda, hızlandırılmış görüntülerin ne yaptığı açısından her şey anlamlı hale geldi” dedi.

ERT çeşitli avantajlar sunar. İyi kasanın dışına takılı hiçbir hareketli parça ve elektrot olmadığından, ekipman düşük bakım gerektirir ve enjeksiyonlar yapılırken çalışabilir. Ve görüntüleme gerçek zamanlı olarak gerçekleşir ve tesis operatörlerine gerektiğinde hemen kullanabilecekleri geri bildirim sağlar. Bununla birlikte, ERT, derin yeraltı projelerinde her yerde bulunan metal kuyu deliği muhafazaları ile kullanılamaz.

Fiberglas kasa kullanmak, kasayı metalik olmayan bir epoksi ile kaplamak veya tamamen farklı, metalik olmayan bir malzeme kullanmak gibi bu engeli aşmanın yolları vardır. Ancak şimdilik Johnson ve ekibi, Sanford tesisinde ERT’nin kullanımını geliştirmeye ve test etmeye devam ediyor.

“Kristal Kaya Oluşumuna Yüksek Basınçlı Enjeksiyonlar Sırasında Elektriksel Direnç Tomografisi Kullanılarak Kırılma Genişlemesi ve Gerilme Gölgelemesinin 4D Proxy Görüntülemesi” başlıklı makale, Journal of Geophysical Research: Solid Earth dergisinde Ekim ayında yayınlandı. Johnson ile ortak yazarlar PNNL’de Jeff Burghardt, Chris Strickland, Hunter Knox, Vince Vermeul ve Mark White; Sandia Ulusal Laboratuvarlarında Paul Schwering ve Doug Blankenship; Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda Tim Kneafsey; ve EGS Collab’daki ekip.

Kaynak: ThinkGeoEnergy