Simulaciones numéricas para hacer segura a la energía geotérmica profunda

Investigadores del Servicio Sismológico Suizo SED y ETH Zurich están trabajando con el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza CSCS para desarrollar una forma de utilizar la energía geotérmica de manera segura con la ayuda de supercomputadoras


Según la Estrategia Energética 2050 de Suiza, el plan es que la energía geotérmica profunda contribuya a la expansión de las energías renovables en el país. Sin embargo, esta ambición presenta desafíos especiales. Aunque es relativamente fácil utilizar energía geotérmica en la isla volcánicamente activa de Islandia, por ejemplo, a menudo es mucho más difícil - y arriesgado - en los continentes.


En Suiza, los ingenieros deben perforar a una profundidad de entre 4 y 5 kilómetros para llegar a regiones de la corteza terrestre que estén lo suficientemente calientes como para calentar agua a la temperatura requerida de 160 °C a 180° C. Esta agua debe fluir a través de la roca caliente a través de un pozo antes de ser bombeada de regreso a la superficie. Sin embargo, un problema es que la roca no es muy permeable a estas profundidades. "Necesitamos una permeabilidad de al menos 10 milidarcies, pero normalmente solo encontramos una milésima parte de ese valor a profundidades de 4 a 5 kilómetros", dice Thomas Driesner, profesor del Instituto de Geoquímica y Petrología de ETH Zurich.


Para hacer que la roca sea más permeable, se bombea agua a presión al subsuelo. La presión del agua contrarresta la fricción en las fracturas, lo que permite que las superficies de las fracturas se deslicen y así liberen la tensión. Esta estimulación hidráulica ensancha las fracturas y las hace más permeables, por lo que el agua puede circular dentro de la corteza caliente. Tales fracturas en la corteza terrestre son el resultado de la tensión tectónica, que en Suiza es causada por la placa del Adriático que se mueve hacia el norte y empuja contra la placa euroasiática.


La inyección de agua provoca terremotos


La desventaja de la estimulación hidráulica es que los movimientos resultantes provocan temblores. Por lo general, esto debe ser tan leve que apenas sea perceptible para las personas, si es que lo hace. Pero desafortunadamente, este no fue el caso de los proyectos geotérmicos en St. Gallen en 2013 y Basilea en 2006. En ambas ciudades, los terremotos se registraron con una magnitud superior a 3, y en Basilea los residentes locales no solo notaron el temblor resultante, sino que también escucharon un fuerte golpe.


El río Rin en Basilea, Suiza

“Antes de eso, en Basilea se había bombeado un total de aproximadamente 11.000 metros cúbicos de agua al pozo, lo que aumentó la presión”, dice Driesner. Se habían utilizado estudios estadísticos para definir magnitudes de 2.4 y 2.9 como dos valores límite para la fuerza máxima permisible de los terremotos generados, por lo que el suministro de agua se había detenido a tiempo. Sin embargo, se produjeron terremotos más fuertes después de un retraso. Esto finalmente socavó la aceptación pública de la energía geotérmica en Suiza.


Desde los incidentes de Basilea y St. Gallen, ha quedado claro que el concepto de simplemente detenerse en un umbral específico no es suficiente. Por lo tanto, el Servicio Sismológico Suizo SED ha estado buscando una forma alternativa de mejorar la previsibilidad y la seguridad. Su nuevo plan es utilizar un sistema de semáforo avanzado basado en la física de las rocas que predecirá, casi en tiempo real, si se pueden esperar terremotos perceptibles a medida que continúa la estimulación hidráulica. Para lograrlo, la SED comenzó a desarrollar un software para analizar la respuesta del subsuelo durante la estimulación hidráulica.


St. Gallen, Suiza

Sin embargo, pronto quedó claro que esto requeriría software optimizado y computación de alto rendimiento (HPC). Por lo tanto, la Plataforma de Computación Científica Avanzada PASC se utilizó para lanzar en 2017 un proyecto titulado “Pronóstico y evaluación de la sismicidad y la evolución térmica en reservorios geotérmicos” FASTER, dirigido por Driesner e incluyendo investigadores de la SED, ETH Zurich, Università della Svizzera italiana USI, e ingenieros de software del CSCS.


Simulación para investigar el subsuelo


En la etapa inicial de estimulación hidráulica, las cantidades de agua son pequeñas y, por tanto, la agitación es mínima. Los geófonos, que miden el temblor del suelo, indican dónde y a qué distancia ocurren los temblores alrededor del pozo. Estas señales ya contienen información suficiente para que las simulaciones en la supercomputadora estimen la probabilidad de terremotos perceptibles a medida que continúa la estimulación.


El objetivo de FASTER es introducir estos datos en tiempo real en la supercomputadora CSCS "Piz Daint", que luego ejecutará millones de escenarios potenciales: el número posible de fracturas, su tipo y orientación, y cuánta fricción y estrés puede sostener. “De estos escenarios, el 99.99 % son completamente irreales, pero no sabemos cuáles de antemano”, dice Driesner. En muy poco tiempo, “Piz Daint” puede analizar cuál de los escenarios refleja mejor el subsuelo. Esto permite evaluar la situación en minutos para poder tomar una decisión sobre cómo proceder, explica Driesner.


Pero todavía hay un problema: los investigadores carecen de una oportunidad de prueba en el mundo real para su sistema. Como enfatiza Driesner, es importante eliminar errores ocasionales en las mediciones y cumplir con un formato de datos específico antes de realizar los cálculos en la supercomputadora. Los investigadores tuvieron la oportunidad de probar la comunicación entre el equipo de medición y la computadora durante una estimulación en Islandia el año pasado, pero solo se produjo una escasa actividad sísmica. Los investigadores ahora esperan poder probar su herramienta en el laboratorio Bedretto de ETH Zurich a fines del verano.


En este laboratorio geotérmico subterráneo, planean estimular hidráulicamente un volumen de roca entre dos pozos, a 100 metros de distancia, a una profundidad de aproximadamente 1.200 metros. El objetivo de estos experimentos es investigar si la estimulación controlada puede crear suficiente permeabilidad y también mantener bajo control la fuerza de los terremotos inducidos. “Existe una correlación bastante clara: cuanta más agua bombeamos bajo tierra, más fuerte es el terremoto”, dice Driesner. "Entonces, es una cuestión de evaluar cuánta agua inyectar para mantenerse en el lado seguro y al mismo tiempo aumentar la permeabilidad de la roca".


Impulsar la aceptación de la energía geotérmica


Los investigadores creen que su herramienta no solo puede ayudar a hacer de la energía geotérmica una opción renovable más segura, sino que también podría ser útil donde exista el riesgo de terremotos inducidos artificialmente, como en la minería subterránea o el almacenamiento subterráneo de CO2. También esperan utilizar el conocimiento adquirido para establecer las mejores prácticas en ingeniería geotérmica que enfatizan la planificación adecuada y la implementación exitosa de plantas geotérmicas.


Con este fin, y para allanar el camino para la eventual instalación rutinaria de plantas de energía geotérmica profunda como se previó originalmente en la Estrategia Energética 2050, Driesner dice que habrá una necesidad de plantas piloto para respaldar la investigación fundamental continua orientada a aplicaciones.





Fuente: ETH Zurich

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