Ouvrir la voie à une énergie géothermique sûre

Une ressource énergétique abondante et propre se trouve sous les pieds de presque tout le monde. Mais son exploitation s’est révélée être un défi au cours du dernier demi-siècle.

L’énergie géothermique utilise la chaleur des roches situées bien en dessous de la surface de la Terre pour créer de la vapeur et faire tourner des turbines qui produisent de l’électricité. Mais exploiter ces vastes ressources à des milliers de pieds sous la surface est un défi qui nécessite une meilleure compréhension des roches et de toutes les contraintes qu’elles subissent.

Des ingénieurs de l’université de Pittsburgh se joignent à une cohorte de laboratoires nationaux, d’entreprises et d’universités pour soutenir le programme de recherche et de démonstration géothermique à l’Utah Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE), un laboratoire de terrain souterrain situé dans le comté de Beaver, en Utah. L’équipe de Pitt a récemment reçu 1,26 million de dollars du ministère américain de l’Énergie pour deux projets de collaboration qui permettront de caractériser les contraintes dans la formation rocheuse ciblée par Utah FORGE.

SOUS PRESSION : UN ENVIRONNEMENT OÙ LE STRESS EST LE MOTEUR DU BUS

Andrew Bunger, professeur associé de génie civil et environnemental et chercheur principal du projet Pitt, décrit l’importance des contraintes dans la Terre en la comparant à un pot d’argile dans un étau : La force et la direction de la pression exercée par l’étau sur l’argile auront un impact sur l’endroit et l’ampleur des fissures. Il en va de même pour les formations rocheuses qui constituent les cibles géothermiques.

À environ trois kilomètres sous la surface de la Terre, les roches visées sont soumises à d’énormes contraintes. Elles sont également très chaudes – plus de 200 degrés Celsius, soit près de 400 degrés Fahrenheit.

« Comme les puits géothermiques sont profonds et coûteux, il faut faire circuler de grands volumes d’eau pour que l’énergie produite soit économiquement viable« , explique M. Bunger. « La conception de ces systèmes est difficile si l’on ne sait pas comment la roche va réagir au fur et à mesure que les puits sont forés et que l’on ne peut pas simplement creuser un trou pour recueillir un échantillon.« 

Un autre défi est que les roches suffisamment chaudes pour faire de bons puits géothermiques sont également trop chaudes pour les capteurs souterrains qui seraient généralement utilisés pour recueillir des données. L’équipe de Bunger se concentre alors sur le développement d’estimations des contraintes en laboratoire pour permettre une meilleure analyse des mesures souterraines.

« Nous devons explorer une variété d’approches complémentaires et innovantes pour estimer les conditions dans les réservoirs géothermiques et nous appuyer davantage sur les mesures que nous pouvons effectuer en laboratoire à l’aide de carottes de roche« , a expliqué M. Bunger.

« Nous devons également utiliser des analyses plus sophistiquées pour extraire toutes les informations possibles de chaque précieuse donnée que nous pouvons obtenir du sous-sol. Lorsque la géothermie a été explorée pour la première fois il y a plusieurs dizaines d’années, la puissance de calcul n’existait pas pour simuler ces systèmes, mais aujourd’hui nous pouvons le faire sans recourir à des essais souterrains coûteux. »

CRÉER UNE FEUILLE DE ROUTE DES CONTRAINTES GÉOLOGIQUES

L’une des méthodes les plus populaires pour tester les contraintes in situ – ou les contraintes subies par la roche qui se trouve encore dans le sol – consiste à injecter juste assez d’eau pour commencer à fissurer la roche. Traditionnellement, l’enregistrement de la pression du fluide est analysé et est considéré comme précis tant que la configuration de la fissure est très simple. Mais souvent, à ces profondeurs, la configuration des fissures est plus complexe, mais elle peut néanmoins fournir des informations essentielles sur les conditions de stress.

Les méthodes de laboratoire consistent à tester des carottes de roche extraites de la formation visée par le développement géothermique. Il existe plusieurs méthodes, mais toutes reposent sur le fait que la microstructure de la roche « se souvient » des contraintes auxquelles elle a été soumise avant d’être extraite du sol.

Les recherches menées par l’équipe de Pitt sur la base de carottes viendront compléter les méthodes de fond de puits mises en œuvre par le partenaire principal, le Battelle Memorial Institute. Ce projet utilisera l’apprentissage automatique pour estimer les contraintes sur les puits FORGE en se basant sur des données expérimentales et des tests de contraintes dans le puits lui-même. Les résultats fourniront un profil des contraintes minimales et maximales, et permettront aux chercheurs de comparer les estimations de contraintes existantes avec d’autres modèles.

Si les essais en laboratoire offrent des avantages en termes de précision, les mesures en subsurface sont essentielles pour saisir directement les observations du comportement de la roche dans son environnement d’origine. Cependant, étant donné que peu de mesures peuvent être prises à cette profondeur, les chercheurs doivent effectuer une analyse détaillée pour compléter l’interprétation. M. Bunger collabore avec des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory afin de créer des estimations haute-fidélité de la contrainte in situ à partir de ces relevés.

Grâce à leur capacité spécialisée à mener des expériences à l’échelle du laboratoire qui simulent les expériences menées dans le sous-sol pour estimer les contraintes, le groupe de M. Bunger sera en mesure de fournir de nouvelles informations qui n’étaient pas disponibles auparavant.

Son équipe apportera un nouvel éclairage à cette analyse.

« Le travail que nous effectuons avec Utah FORGE est vraiment passionnant car nous utilisons la meilleure technologie disponible pour aider à combler les lacunes dans les connaissances. L’innovation nécessite toujours une itération, de sorte que vous vous améliorez au fur et à mesure« , a déclaré M. Bunger. « La géothermie offre d’énormes possibilités, mais nous devons être beaucoup plus sophistiqués dans nos méthodes que jamais auparavant si nous voulons la développer au point de pouvoir compter sur elle pour contribuer de manière significative à notre portefeuille d’énergies renouvelables. Un financement comme celui-ci nous donne l’espace et les ressources nécessaires pour innover afin de pouvoir exploiter cette ressource.« 

[ illustration / Crédit PITT ]