Una nuova visione delle fratture profonde della roccia per l’utilizzo dell’energia geotermica


La tomografia a resistività elettrica (ERT) misura i cambiamenti del sottosuolo misurando la conduttività elettrica nella roccia. L’ERT produce poi immagini 4D – cioè 3D più time-lapse – del sottosuolo.

Il granito rovente nel sottosuolo può essere sfruttato per ottenere energia aprendo delle fratture nella roccia. Questa risorsa potenziale, conosciuta come energia geotermica potenziata, richiede un senso chiaro dei cambiamenti che avvengono nella roccia nel tempo – un quadro complesso che può essere difficile da catturare.

Un team guidato da ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha dimostrato un nuovo modo per monitorare le fratture del sottosuolo profondo. La tecnica, la tomografia a resistività elettrica (ERT), misura i cambiamenti del sottosuolo misurando la conduttività elettrica nella roccia. L’ERT produce immagini 4D – cioè 3D più time-lapse – del sottosuolo.

Cos’è un sistema geotermico avanzato?

I sistemi geotermici convenzionali si basano sull’acqua e sulle vie di flusso già presenti nella roccia calda. Un sistema geotermico potenziato raccoglie il calore intrappolato nella roccia introducendo acqua e fessure. Gli operatori perforano due pozzi sotterranei a centinaia di metri sotto la superficie e poi iniettano fluido ad alta pressione per fratturare la roccia tra i pozzi. Il processo di fratturazione per il calore è simile a quello noto come “fracking” della roccia scistosa per rilasciare petrolio e gas.

Le temperature a questo livello possono superare i 200 ºC. L’acqua pompata da un pozzo all’altro e di nuovo alla superficie raccoglie il calore dalla roccia, generando vapore che può azionare una turbina per l’elettricità.

I sistemi geotermici potenziati potrebbero fornire circa 100 gigawatt di elettricità, abbastanza per alimentare 100 milioni di case. Ma tali sistemi implicano costose perforazioni, e hanno bisogno di un migliore monitoraggio e previsione dei cambiamenti sotterranei per ridurre l’incertezza e il rischio associati a un dato progetto.

Come ogni ambiente sotterraneo, i sistemi geotermici potenziati cambiano nel tempo. Le fratture nella roccia si aprono e si chiudono in risposta alle sollecitazioni causate dalle iniezioni di fluido ad alta pressione, cambiando la produzione di calore del sistema. L’attività sismica è un indicatore dello stress del sottosuolo, ma le informazioni dal monitoraggio microsismico sono limitate.

In queste rocce profonde e calde, è troppo costoso perforare abbastanza pozzi di monitoraggio per capire cosa sta succedendo usando il campionamento diretto“, ha detto Tim Johnson, uno scienziato computazionale del PNNL che è coautore dello studio. “L’obiettivo principale di questo progetto è quello di capire meglio, e in definitiva prevedere, come le fratture si comporteranno in un ambiente ad alta tensione quando si cerca di collegarle tra due pozzi“.

Ottenere un quadro sotterraneo più chiaro

L’ERT comporta il posizionamento di elettrodi metallici all’interno di fori di monitoraggio, quindi l’acquisizione di immagini della conduttività della roccia quando la corrente elettrica viene inviata tra di essi. L’aumento della conduttività nel tempo mostra dove le fratture si stanno aprendo; quando le fratture sono più strette o chiuse, la conduttività scende. Johnson ha sviluppato un software chiamato E4D che opera su sistemi di supercalcolo e converte tutte queste informazioni elettriche in un’immagine che assomiglia un po’ a una mappa di calore, mostrando le variazioni di conduttività nel tempo.

È simile all’imaging medico, tranne che stai facendo un time lapse“, ha detto Johnson. “Quindi stai guardando come cambiano le cose, e di solito il cambiamento si riferisce a come il fluido sta scorrendo nel sottosuolo“.

Johnson e altri ricercatori del PNNL sono stati pionieri nell’uso dell’ERT come strumento di monitoraggio 3D, e dell’E4D a profondità inferiori, fino a 110 metri, dove è stato utilizzato per rilevare e rintracciare i contaminanti, per esempio. Per testarlo nel sottosuolo profondo, il team lo ha implementato presso il Sanford Underground Research Facility a Lead, South Dakota. Il lavoro, che è supportato dall’Ufficio per l’efficienza energetica e l’energia rinnovabile del Dipartimento dell’Energia (DOE) attraverso il suo Ufficio per le tecnologie geotermiche, fa parte di un più ampio sforzo di collaborazione attraverso il DOE per migliorare l’accesso alle risorse naturali e lo stoccaggio nel sottosuolo. Il Lawrence Berkeley National Laboratory guida lo sforzo, conosciuto come Enhanced Geothermal Systems (EGS) Collab. I laboratori partner includono PNNL, Sandia National Laboratories, Lawrence Livermore National Laboratory, Idaho National Laboratory e Los Alamos National Laboratory.

Pioniere di una nuova tecnica di imaging del sottosuolo

L’intento del monitoraggio ERT a Sanford era quello di monitorare il flusso dei fluidi, come era stato fatto a livelli meno profondi. Ma i risultati inizialmente non sembravano allinearsi con quegli usi precedenti.

Quello che stavamo vedendo con i cambiamenti di conduttività non aveva senso in termini di flusso di fluido“, ha detto Johnson.

Ma se la conduttività non rifletteva il movimento dei fluidi, cosa mostrava?

Dopo anni di ricerca di una risposta, Johnson l’ha trovata in documenti scientifici degli anni ’60 e ’70. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology e anche del Lawrence Berkeley National Laboratory avevano osservato dei cambiamenti nella conduttività delle rocce cristalline in risposta allo stress – schiacciare la roccia in esperimenti di laboratorio la rendeva meno conduttiva. Questo significa che l’ERT non stava semplicemente seguendo il fluido nel sottosuolo. Stava tracciando l’apertura e la chiusura delle fratture in risposta allo stress.

Una volta fatto questo collegamento, tutto ha avuto senso in termini di ciò che le immagini time-lapse stavano facendo“, ha detto Johnson.

L’ERT offre diversi vantaggi. Senza parti in movimento ed elettrodi installati al di fuori dell’involucro del pozzo, l’attrezzatura richiede poca manutenzione e può funzionare mentre le iniezioni avvengono. E l’imaging avviene in tempo reale, dando agli operatori della struttura un feedback che possono usare quasi immediatamente, se necessario. Tuttavia, l’ERT non può essere usato con gli involucri metallici dei pozzi, che sono onnipresenti nei progetti del sottosuolo profondo.

Ci sono modi per aggirare questo ostacolo, come l’uso di involucri in fibra di vetro, rivestendo l’involucro con una resina epossidica non metallica, o usando un materiale diverso, non metallico. Ma per ora, Johnson e il team stanno continuando a migliorare e testare l’uso dell’ERT nella struttura di Sanford.

Il documento, “4D Proxy Imaging of Fracture Dilation and Stress Shadowing Using Electrical Resistivity Tomography During High Pressure Injections into a Crystalline Rock Formation“, è stato pubblicato in ottobre nel Journal of Geophysical Research: Solid Earth.

Fonte