Explorer des explosifs pour développer l’énergie géothermique

Explorer des explosifs pour développer l'énergie géothermique

De gauche à droite, Joseph Pope, technologue de Sandia, Sivanna Torres, doctorante à l’Institut des mines et de la technologie du Nouveau-Mexique, Veronica Espinoza, étudiante en technologie du Nouveau-Mexique, et Eric Robey, ingénieur en mécanique de Sandia, examinent un cube de plexiglas fracturé par un petit -explosion à l’échelle. Cette étude pourrait éclairer la création de nouveaux systèmes d’énergie géothermique. Crédit : Bret Latter

Pourquoi les scientifiques déclenchent-ils des explosions à petite échelle à l’intérieur de cubes de plexiglas d’un mètre ? Ils observent comment les fractures se forment et se développent dans une substance semblable à la roche pour voir si des explosifs ou des propulseurs, similaires au carburéacteur, peuvent connecter les puits géothermiques de manière prévisible.

L’énergie géothermique est très prometteuse en tant que source d’énergie renouvelable qui ne dépend pas du soleil qui brille ou du vent qui souffle, mais son adoption à grande échelle présente certains défis.

Un défi est qu’il n’y a que quelques endroits aux États-Unis qui ont naturellement les bonnes combinaisons de roches chaudes près de la surface de la Terre avec de l’eau souterraine disponible. Un autre défi est le coût de démarrage initial du forage et de la connexion des puits géothermiques. Eric Robey, un ingénieur en mécanique de Sandia, dirige une équipe pour déterminer si les explosifs peuvent réduire ces deux défis.

“Notre objectif était de trouver une nouvelle façon de créer un réseau de fractures géothermiques pour que vous ayez une idée claire de sa destination – c’est orientable et gérable – et que vous utilisiez moins de ressources et soyez plus respectueux de l’environnement”, a déclaré Eric. . “C’est là qu’interviennent les explosifs et les propulseurs. L’idée est qu’ils nous permettront d’éviter de pomper beaucoup de fluide dans les puits. Nous collaborons avec le Lawrence Livermore National Laboratory pour modéliser les explosions et améliorer la prévisibilité de formant des réseaux de fractures.”

En commençant par des cubes de plexiglas de 1 pied, qui imitent de nombreuses propriétés de la roche, l’équipe a observé l’onde de choc de l’explosion se propager à travers le cube et a écouté avec des microphones spécialisés la formation de minuscules fractures. L’équipe utilise les informations sur l’emplacement des fractures et le moment de la formation des fractures pour affiner les modèles informatiques existants d’explosions souterraines.

Les défis de la fissuration de roches chaudes

Parce que les formations naturelles avec la bonne combinaison de roches chaudes et d’eau souterraine ne sont pas situées partout aux États-Unis, le bureau des technologies géothermiques du DOE soutient la recherche, le développement et les tests de systèmes géothermiques améliorés. Un système géothermique amélioré prend un emplacement avec de la roche chaude et le transforme en un emplacement adapté à la production d’énergie géothermique en forant des puits profonds et en fracturant soigneusement la roche chaude afin que l’eau puisse atteindre la roche chaude et transporter cette chaleur à la surface pour produire de l’énergie .

Les systèmes géothermiques améliorés ont le potentiel d’alimenter 100 millions de foyers, selon le Bureau des technologies géothermiques.

“Ils découvrent que c’est un problème difficile d’amener les fractures là où ils le souhaitent”, a déclaré Eric. “Le but de notre projet est de voir si nous pouvons orienter un peu plus la formation de fractures.”

Explorer des explosifs pour développer l'énergie géothermique

Eric Robey, à gauche, un ingénieur en mécanique de Sandia, et Joseph Pope, un technologue de Sandia, préparent un cube de plexiglas pour une explosion à petite échelle. Les informations de cette étude pourraient être utilisées pour créer de nouveaux systèmes d’énergie géothermique dans des endroits où cela n’est actuellement pas possible. Crédit : Bret Latter

Regarder l’onde de choc

En utilisant des cubes de plexiglas avec de petites quantités d’explosifs ou de propulseurs allumés au centre, l’équipe de recherche peut observer des explosions à petite échelle se propager vers l’extérieur avec des caméras ultra-rapides tout en surveillant la formation de minuscules fractures à l’aide d’autres capteurs. Étonnamment, les propriétés mécaniques du plexiglas sont assez similaires à celles du granit à environ 750 degrés Fahrenheit, a déclaré Oleg Vorobiev, expert en modèles informatiques au LLNL. Pour imiter davantage les propriétés de la roche chaude et dure en profondeur, l’équipe, y compris le technologue de Sandia Joe Pope, a appliqué des dizaines de tonnes de pression sur les cubes de plexiglas pour stresser le matériau et voir comment les contraintes affectent la formation de fractures, a déclaré Eric.

En collaboration avec le groupe de Michael Hargather, qui utilise des techniques d’imagerie avancées pour étudier les explosions et les matériaux énergétiques, à l’Institut des mines et de la technologie du Nouveau-Mexique à Socorro, l’équipe a observé l’ondulation de l’onde de choc explosive à travers le plexiglas à l’aide de l’imagerie schlieren, une technique qui utilise l’ultra- des caméras à grande vitesse et des miroirs pour “voir” les différences de densité.

Ces différences peuvent être causées par la compression d’une onde de choc ou même par des différences de température comme l’air scintillant sur une autoroute chaude, a déclaré Sivana Torres, doctorante qui a mené les expériences au centre de recherche et d’essai sur les matériaux énergétiques de New Mexico Tech. Pour ces expériences, l’équipe a enregistré les explosions à 1 million d’images par seconde.

“Ce projet a été une expérience vraiment cool : pouvoir être mon propre ingénieur de test et pouvoir visualiser l’onde de choc se propageant à travers le plexiglas”, a déclaré Torres. “L’une de mes plus grandes préoccupations en entrant dans des cubes de 1 pied était qu’ils seraient trop épais pour notre système d’imagerie. Je fais des tests à petite échelle en plexiglas. Ce fut une agréable surprise que nous ayons pu voir la propagation des ondes de choc.”

L’équipe a également utilisé une technique appelée vélocimétrie photonique Doppler, qui mesure la vitesse de l’onde de choc lorsqu’elle atteint l’extérieur du cube en détectant de minuscules changements dans la fréquence d’un laser. L’équipe espérait pouvoir voir les ondes plus faibles causées par la formation de fractures, mais elle n’a pu voir que l’onde de choc initiale, a déclaré Eric.

‘Écouter un murmure dans un ouragan’

Après s’être remis de sa déception initiale, Eric a emprunté des microphones spécialisés appelés capteurs d’émission acoustique. Avec un réseau de microphones à la surface du cube, l’équipe a pu entendre les ondes plus faibles causées par la formation de fractures et trianguler leur provenance à l’intérieur du cube.

“C’est un peu comme écouter un murmure dans un ouragan”, a déclaré Eric, car l’onde de choc est beaucoup plus forte que les ondes de fracture. “C’était un peu une percée parce que A, cela n’avait jamais été fait auparavant et B, il était très incertain que nous puissions entendre ce murmure dans un ouragan, mais nous le pouvions.”

Explorer des explosifs pour développer l'énergie géothermique

Une image schlieren d’une expérience 80 microsecondes après la détonation. L’image montre les bords d’attaque, des protubérances en forme d’ongle à partir du centre et des bandes émanant, des ondulations plus légères. Les scientifiques de Sandia espèrent que ce type de données sur la formation de fractures dans le plexiglas pourra être utilisé pour rendre l’énergie géothermique plus évaluable. Crédit : Eric Robey

Les données d’émissions acoustiques ont non seulement permis à l’équipe de corréler ce qu’ils pouvaient entendre de l’extérieur du cube à ce qu’ils voyaient à l’intérieur du cube, ce qui est essentiel pour passer d’expériences en plexiglas à des expériences en granit, mais ils pouvaient également suivre avec précision quand les fractures s’est produit, ce qui est important pour les efforts de modélisation informatique, a déclaré Eric.

“Nous sommes en train d’apprendre à ‘voler à l’aveugle’ alors que nous pouvons encore voir”, a déclaré Eric. “Les instruments que nous déployons dans le plastique transparent sont les mêmes instruments que nous déploierons lorsque nous passerons à la roche opaque.”

L’équipe a mené des expériences similaires dans des cubes formés de différents morceaux de plexiglas assemblés pour imiter les failles de la roche, afin de voir comment les fractures formées par des explosifs réagissent aux failles de la roche. Ils ont appris que les fractures formées par des explosifs ont tendance à ne pas traverser les lignes de faille préexistantes, mais la quantité de contraintes subies par le plexiglas et l’orientation de la faille rocheuse sont importantes, a déclaré Eric. Ces résultats seront également utilisés pour améliorer les modèles informatiques.

Modélisation informatique pour des solutions de mise à l’échelle

LLNL a fait confiance à des modèles informatiques d’explosions souterraines basés sur des décennies d’expériences, à commencer par les essais nucléaires souterrains dans les années 1960, a déclaré Vorobiev. Cependant, les expériences sur lesquelles ces modèles étaient basés ont été principalement menées dans la roche froide plutôt que dans la roche chaude nécessaire à la production d’énergie géothermique.

“À terme, l’objectif est de comprendre comment créer des réseaux de fractures dans du granit chaud et comprimé à des profondeurs importantes”, a déclaré Vorobiev. “C’est très difficile, sur le plan informatique, car les événements se produisent à différentes échelles de temps. La propagation des ondes de choc est très rapide par rapport à la formation de microfracture causée par les gaz explosifs.”

Les expériences menées par Eric et Torres sont excellentes car elles fournissent non seulement des informations sur les fissures finales, mais elles ont également enregistré la série d’événements qui les ont produites, a déclaré Vorobiev. Sa tâche est d’analyser les données des expériences d’Eric pour affiner les modèles existants du LLNL. Ces modèles peuvent étendre les résultats des expériences de laboratoire pour pouvoir prédire ce qui pourrait se passer sur les sites de champs géothermiques réels, a-t-il déclaré.

L’une des découvertes importantes des expériences est que les fractures peuvent commencer n’importe où autour de l’explosif ou du propulseur et se développer vers l’extérieur, mais en raison des gaz explosifs, ces fractures aléatoires finiront par se développer vers les zones avec moins de stress, comme le long des fractures existantes, a déclaré Vorobiev. . L’initiation aléatoire est bonne, a-t-il dit, car c’est un moyen de connecter des fractures parallèles préexistantes dans un réseau, ce qui est nécessaire pour la production d’énergie géothermique.

Maintenant, l’équipe mène des expériences avec des explosifs ou des propulseurs dans des cubes de granit de 1 pied, dans le but éventuel de passer à des cubes de granit de 3 pieds. Si ces expériences à l’échelle du laboratoire s’avèrent prometteuses, l’équipe espère les tester sur le terrain à l’Observatoire frontalier du DOE pour la recherche sur l’énergie géothermique, a déclaré Eric. Il reste encore plusieurs obstacles à surmonter, mais si tout se passe bien, cela pourrait prendre aussi peu que trois à cinq ans pour atteindre les tests sur le terrain, et à partir de là, la mise en œuvre commerciale.


Nouvelle vision des fractures profondes de la roche pour l’énergie géothermique


Fourni par Sandia National Laboratories

Citation: Explorer des explosifs pour développer l’énergie géothermique (16 juin 2022) récupéré le 16 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-exploring-explosives-geothermal-energy.html

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