La aplicación de las técnicas de supercómputo de alto rendimiento (o HPC por sus siglas en inglés) en el sector energético impactan profundamente los paradigmas de diseño y operación industriales. Por este motivo el gobierno de México y la Unión Europea (UE) dispusieron las bases para que los grupos de investigadores nacionales, en colaboración con su contraparte europea desarrollaran dichas técnicas. Estas bases se materializaron en 2019 a través del proyecto ENERXICO, cuyo objetivo es proveer soluciones técnicas y económicamente viables para la industria relacionada con las energías renovables y convencionales (petróleo y gas).
Entre otros beneficios, las nuevas capacidades de cómputo masivo permitirán mejorar los diseños, técnicas y metodologías operativas orientadas a incrementar la eficiencia de diversos procesos críticos.
Actualmente el proyecto ENERXICO, reúne a 15 instituciones académicas e industriales coordinadas por el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) en México, y por la parte Europea, el Centro Nacional de Supercomputación (Barcelona Supercomputing Center, o BSC) de España. También cuenta con la colaboración de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), la Universidad en Grenoble (Francia), el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), la Universidad Politécnica de Valencia, Repsol, Iberdrola, Bull Atos, Pemex, la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), el Instituto de Ingeniería de la UNAM, el Instituto Politécnico Nacional (IPN), el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV), y el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP).
Con el objetivo de satisfacer las metas propuestas, se estudian problemas relacionados con la modelación de yacimientos, la simulación de procesos de recuperación de hidrocarburos, el desarrollo de biocombustibles, los sistemas de generación eólicos y el diseño de técnicas de combustión eficiente, entre otros. Esto implica desarrollar técnicas de simulación para sistemas con arquitecturas exaescala, capaces de realizar 1018 operaciones de punto flotante por segundo, es decir, 1 exaflop (Fig. 1).
En particular, los colaboradores de ENERXICO crean simuladores basados en diversas técnicas numéricas. Una de las que se desarrollan con mayor interés en México es la denominada Hidrodinámica de Partículas Suavizadas (o SPH por sus siglas en inglés), que ha evolucionado a partir del código DualSPHysics (https://dual.sphysics.org/). El código fundamental hace uso de una serie de módulos diseñados específicamente para simular los procesos multifísicos que tienen lugar en los sistemas físicos de interés.
Un producto importante de las investigaciones llevadas a cabo es el código “Black Hole”. Este código ha sido aplicado para simular flujos de hidrocarburos en yacimientos naturalmente fracturados y ha permitido evaluar, muy eficazmente, los beneficios y riesgos potenciales asociados a la inyección de gases (como CO2, nitrógeno, metano, etc.) en los yacimientos. Los métodos implementados aprovechan la integración del análisis sísmico en dominios estratificados con geometrías de alta complejidad (Figs. 2a, 2b). Además, se diseñan herramientas de inteligencia artificial (AI) con las que se realizan cálculos de procesos específicos con resultados notables (Fig. 2c).
Además, las técnicas de aprendizaje profundo (DL) y de aprendizaje automático (ML), se emplean para reducir las incertidumbres de las simulaciones numéricas, así como durante el proceso de validación con datos de campo y de laboratorio; también se utilizan para evaluar previamente los parámetros de entrada en las simulaciones, a fin de reducir los tiempos de operación de las supercomputadoras y los costos correspondientes.
Por otra parte, la realización de experimentos con geometrías de calibración bien caracterizadas permite calibrar y validar los códigos con un alto grado de confiabilidad (Fig. 3).
Las pruebas experimentales se llevan a cabo en laboratorios en condiciones estrictamente controladas. A su vez, las simulaciones (validadas) de los procesos fundamentales sirven como patrones de calibración para las simulaciones avanzadas. Entre los casos de mayor interés están aquellos que involucran los fenómenos de transferencia de calor conjugada en sistemas de transporte. Aunque la naturaleza de los fluidos considerados da lugar a una fenomenología compleja, los resultados preliminares son prometedores (Fig. 4).
Para el ejemplo mostrado, la correspondencia entre las mediciones experimentales y los resultados numéricos establece que el código es capaz de reproducir adecuadamente los efectos globales en los campos (Figs. 4a y 4b), y los valores locales de la velocidad en los puntos de interés (Fig. 4c).
Integrantes del equipo de trabajo:
Jaime Klapp, ININ: jaime.klapp@inin.gob.mx
Enrique Guzmán, IINGEN-UNAM: enrique.guzmanvazquez@gmail.com
Leonardo Sigalotti, UAM-A: leonardo.sigalotti@gmail.com
Oscar Cruz Castro, IPN-ESIA: oscar.cruz.castro@gmail.com
Isidoro Gitler, Cinvestav: isidoro.gitler@gmail.com)
José Manuel Martínez Magadan, IMP: mmartine@imp.mx
Más información del proyecto ENERXICO:
Twitter: @ENERXICOproject
Linkedin: @ENERXICO project