Løsning af jordskælvsproblem med geotermisk energi

En november eftermiddag i 2017, et jordskælv med en styrke på 5,5 rystede Pohang, Sydkorea, sårer dusinvis og tvinger mere end 1, 700 af byens beboere ind i akutboliger. Forskning viser nu, at udviklingen af ​​et geotermisk energiprojekt bærer skylden.

"Der er ingen tvivl, " sagde Stanford geofysiker William Ellsworth. "Normalt siger vi det ikke i videnskaben, men i dette tilfælde, beviserne er overvældende." Ellsworth er blandt en gruppe videnskabsmænd, herunder Kang-Kun Lee fra Seoul National University, der udgav et perspektivværk 24. maj i Videnskab skitserer erfaringer fra Pohangs fiasko.

Jordskælvet i Pohang skiller sig ud som det klart største, der nogensinde er forbundet direkte med udviklingen af ​​det, der er kendt som et forbedret geotermisk system, hvilket typisk indebærer, at man tvinger nye underjordiske veje til at åbne jordens varme for at nå overfladen og generere strøm. Og det kommer på et tidspunkt, hvor teknologien kunne give en stabil, altid tilstedeværende supplement til mere kræsen vind- og solenergi, efterhånden som et stigende antal nationer og amerikanske stater presser på for at udvikle energikilder med lavt kulstofindhold. Efter nogle skøn, det kan udgøre så meget som 10 procent af den nuværende amerikanske elektriske kapacitet. At forstå, hvad der gik galt i Pohang, kunne give andre regioner mulighed for mere sikkert at udvikle denne lovende energikilde.

Konventionelle geotermiske ressourcer har genereret strøm i årtier på steder, hvor varme og vand fra dyb undergrund kan sprænge op gennem naturligt permeabel sten. I Pohang, som i andre forbedrede geotermiske projekter, injektioner revnede uigennemtrængelige klipper op for at skabe ledninger til varme fra Jorden, som ellers ville forblive utilgængelige til at lave elektricitet.

"Vi har forstået i et halvt århundrede, at denne proces med at pumpe jorden op med højt tryk kan forårsage jordskælv, " sagde Ellsworth, som medleder Stanford Center for Induced and Triggered Seismicity og er professor ved School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

Her, Ellsworth forklarer, hvad der fejlede i Pohang, og hvordan deres analyse kunne hjælpe med at sænke risici for ikke kun den næste generation af geotermiske anlæg, men også fracking-projekter, der er afhængige af lignende teknologi. Han diskuterer også hvorfor på trods af disse risici, han mener stadig, at forbedret geotermisk energi kan spille en rolle i at levere vedvarende energi.

Hvordan fungerer forbedret geotermisk teknologi?

Målet med et forbedret geotermisk system er at skabe et netværk af sprækker i varme bjergarter, der ellers er for uigennemtrængelige til, at vand kan strømme igennem. Hvis du kan skabe det netværk af brud, så kan du bruge to brønde til at lave en varmeveksler. Du pumper koldt vand ned i en, Jorden varmer den op, og du trækker varmt vand ud i den anden ende.

Operatører, der borer en geotermisk brønd, beklæder den med et stålrør ved hjælp af den samme proces og teknologi, der blev brugt til at konstruere en oliebrønd. En del af nøgne sten efterlades åben i bunden af ​​brønden. De pumper vand ind i brønden ved højt tryk, at tvinge eksisterende brud op eller skabe nye.

Nogle gange laver disse små brud bittesmå jordskælv. Problemet er, når jordskælvene bliver for store.

Hvad førte til det store jordskælv i Pohang, Sydkorea?

Da de begyndte at indsprøjte væsker ved højt tryk, en brønd producerede et netværk af brud som planlagt. Men vand sprøjtet ind i den anden brønd begyndte at aktivere en hidtil ukendt fejl, der krydsede lige gennem brønden.

Tryk, der migrerede ind i forkastningszonen, reducerede de kræfter, der normalt ville gøre det vanskeligt for forkastningen at bevæge sig. Små jordskælv varede i flere uger, efter at operatørerne slukkede for pumperne eller vendte tilbage for trykket. Og jordskælvene blev ved med at blive større som tiden gik.

Det burde have været anerkendt som et tegn på, at det ikke ville tage et meget stort spark at udløse et kraftigt jordskælv. Dette var et særligt farligt sted. Tryk fra væskeindsprøjtningerne endte med at give sparket.

Hvad er de nuværende metoder til at overvåge og minimere truslen om jordskælv i forbindelse med væskeinjektion til geotermiske eller andre typer energiprojekter?

Civile myndigheder verden over ønsker generelt ikke, at boring og injektion skal forårsage jordskælv, der er store nok til at forstyrre mennesker. I praksis, myndigheder og borere har en tendens til at fokusere mere på at forhindre små jordskælv, der kan mærkes, snarere end på at undgå den meget mindre sandsynlige hændelse af et jordskælv, der er stærkt nok til at gøre alvorlig skade.

Med det i tankerne, mange projekter styres ved brug af et såkaldt trafiklyssystem. Så længe jordskælvene er små, så har du grønt lys, og du går videre. Hvis jordskælv begynder at blive større, så justerer du operationerne. Og hvis de bliver for store, så stopper du, i hvert fald midlertidigt. Det er det røde lys.

Mange geotermiske, olie- og gasprojekter er også blevet styret af en hypotese om, at så længe man ikke hælder mere end en vis mængde væske i en brønd, du vil ikke få jordskælv ud over en vis størrelse. Der kan være noget sandhed i det nogle steder, men oplevelsen i Pohang fortæller os, at det ikke er hele historien.

Hvordan ville en bedre tilgang se ud?

Potentialet for et løbsk eller udløst jordskælv skal altid overvejes. Og det er vigtigt at overveje det gennem linsen af ​​udviklende risiko frem for fare. Fare er en potentiel kilde til skade eller fare. Risiko er muligheden for tab forårsaget af skade eller fare. Tænk på det på denne måde:Et jordskælv så stort som Pohang udgør den samme fare, uanset om det rammer i en tæt befolket by eller en ubeboet ørken. Men risikoen er meget højere i byen.

Sandsynligheden for en alvorlig hændelse kan være lille, men det skal anerkendes og tages med i beslutninger. Måske ville du beslutte dig for, at det slet ikke er så god en idé.

For eksempel, hvis der er mulighed for et jordskælv med en styrke på 5,0 før projektet starter, så kan du vurdere de skader og skader, der kan forventes. Hvis vi kan tildele en sandsynlighed for jordskælv af forskellig størrelse, så kan civile myndigheder beslutte, om de vil acceptere risikoen og på hvilke vilkår.

Efterhånden som projektet skrider frem, disse samtaler skal fortsætte. Hvis en fejl ender med at blive aktiveret, og chancen for et skadeligt jordskælv stiger, civile myndigheder og projektledere kan sige, "vi er færdige."

Fra alt, hvad du har lært om, hvad der skete i Pohang, mener du, at en forbedret geotermisk udvikling bør bremse?

Naturlige geotermiske systemer er en vigtig kilde til ren energi. Men de er sjældne og stort set udnyttet. Hvis vi kan finde ud af, hvordan vi sikkert kan udvikle kraftværker baseret på forbedret geotermisk systemteknologi, det vil have enorme fordele for os alle som en kulstoffattig mulighed for elektricitet og rumopvarmning.