По мнению Министерства энергетики США, геотермальная энергия – тепло под нашими ногами – может «преобразовать энергетический ландшафт США». Но на этом пути есть проблемы. Кредит: Quaise Energy
Использование тепла под нашими ногами как формы возобновляемой, чистой энергии привлекает все больше внимания по мере того, как мир движется к альтернативам ископаемому топливу в борьбе с изменением климата. В 58-страничном отчете, опубликованном 18 марта Министерством энергетики США, основное внимание уделяется «потенциалу геотермальной энергии следующего поколения для преобразования энергетического ландшафта США».
Но есть над чем работать.
В статье, представленной в прошлом месяце (феврале) в Стэнфордском университете, учёный-геотермист с 16-летним опытом работы описал пробелы в исследованиях и разработках, которые необходимо устранить, прежде чем этот ресурс потенциально сможет обеспечить энергией планету. Тем не менее, «инструменты для решения научных и инженерных задач доступны. Это вопрос международного и междисциплинарного сотрудничества, системной интеграции и демонстрационных проектов», — сказал Трентон Т. Кладухос.
Кладухос, который недавно присоединился к Quaise Energy в качестве вице-президента по развитию геотермальных ресурсов, стал соавтором статьи вместе с Оуэном А. Каллаханом из En Échelon Geosolutions. Работа была представлена на 49й Стэнфордский геотермальный семинарежегодное собрание экспертов по геотермальной энергии со всего мира, которое, по словам Кладухоса, было «самым большим за всю историю».
Он продолжил: «Промышленность занята раскрытием потенциала геотермальной энергии при любых температурах и местах. Сейчас самое лучшее время для работы в геотермальной отрасли».
Супергорячая рок-энергия
Выступления Кладухоса были сосредоточены на проблемах, связанных с извлечением тепла из глубин земли, где находятся сверхгорячие камни с температурой более 707 градусов. Фаренгейт (375 °С). Вода, проходящая через эти области, станет сверхкритической. Эта пароподобная фаза может нести в 5-10 раз больше энергии, чем обычная горячая вода, что делает ее чрезвычайно эффективным источником энергии, если ее можно будет подать по трубопроводу на турбины, которые преобразуют ее в электричество.
«Восстановление всего 2% тепловой энергии, хранящейся в горячих породах на расстоянии от 3 до 10 км. [2 to 12 miles] ниже континентальной части США эквивалентно в 2000 раз большему потреблению первичной энергии в США» ежегодно, пишут он и Каллахан в своей статье.
Одна из ключевых проблем в этом плане – просто добраться до цели. Буры, используемые в нефтегазовой промышленности, не рассчитаны на то, чтобы выдерживать экстремальные температуры и давления на многие мили вниз, где находится материнское месторождение геотермальной энергии. Вот почему Quaise работает над совершенно новым способом бурения с использованием энергии миллиметровых волн (родственников микроволн, в которых многие из нас готовят), которая может буквально плавить и испарять горную породу. Гибридный подход Quaise будет использовать традиционные технологии бурения вблизи поверхности (для чего они были оптимизированы), а затем миллиметровые волны для прохождения сквозь породу фундамента внизу.
Но освоение сверхгорячего камня — это только первая задача. По словам Кладухоса, извлечение тепла — это головоломка, которая по крайней мере так же сложна, как и добраться до него.
Исследователи по всему миру работают над инженерными геотермальными системами (EGS), по сути, подземными радиаторами или теплообменниками, целью которых является именно это. Существуют различные подходы, разрабатываемые и используемые в полевых условиях такими компаниями, как Eavor и Fervo Energy, но ни один из них не был продемонстрирован при температурах выше 200°C. °С.
«Если мы действительно хотим, чтобы геотермальная энергия изменила правила игры, мы должны работать при сверхвысоких температурах, то есть выше 375 градусов Цельсия. °C», — сказал Кладухос.
Преодоление пробелов в исследованиях и разработках
Введите необходимость адаптации существующих систем EGS или даже совершенно новых подходов. В докладе Кладухоса были рассмотрены 14 пробелов в исследованиях и разработках, которые необходимо устранить, чтобы достичь этой цели. Они разделены на три категории: фундаментальная наука, инструменты и инфраструктура, а также технологии интенсификации добычи и разработки месторождений.
Одним из ключевых пробелов является необходимость получения большего количества данных о механике горных пород на экстремальных глубинах и давлениях. Эти данные, в свою очередь, позволят ученым-геотермистам лучше моделировать эти системы. К счастью, «мы можем учиться, глядя на камни, которые когда-то находились в этих сверхгорячих условиях, но теперь обнажены на поверхности или в шахтах», — сказал Кладухос.
Другой пример касается проектирования стимуляции или того, как создать наиболее экономичную систему для перемещения воды через сверхгорячие породы для улавливания их энергии. Например, некоторые из эксплуатируемых сегодня неглубоких геотермальных систем предусматривают создание трещин в породе, что создает большую площадь поверхности для теплопередачи. Но разрушение породы на сверхгорячих глубинах и при сверхвысоких температурах — «еще одно неизвестное», — сказал Кладухос.
Третий пробел связан с заканчиванием скважин или способами стабилизации скважин, подвергающихся воздействию сверхжестких условий, связанных с этим ресурсом. Скважины, пробуренные при сверхвысоких температурах в таких странах, как Исландия, Япония, США и Италия, в конечном итоге вышли из строя.
Итерационный процесс
Кладухос подчеркнул, что инвесторы должны понимать, что путь к доступу к сверхгорячей породе будет итеративным. «Первый в своем роде проект EGS по сверхгорячим камням заполнит многие пробелы в знаниях и, вероятно, откроет некоторые новые пробелы. Достижение наших коммерческих целей потребует итеративного процесса разработки технологий и полевых испытаний», — сказал он.
Тем не менее, он и Каллахан с оптимизмом смотрят на успех: «Хотя сверхгорячие геотермальные породы расширят возможности многих подземных инструментов и выходят за рамки текущих гидротермальных проектов и проектов EGS, следует отметить, что люди безопасно и регулярно эксплуатируют оборудование, содержащее материалы выше 375 °C. Угольные электростанции горят при 550 °C, АЭС на 700 °C, а печи для пиццы — 400. °C… Мы можем сконструировать оборудование для доступа, сдерживания и извлечения энергии из глобальных источников. [superhot rock] ресурс — инженерам и ученым нужен стимул для этого».
Ссылка: «Извлечение тепла из сверхгорячей породы – развитие технологий» Трентон Т. Кладухос и Оуэн А. Каллахан, 14 февраля 2024 г., 49-й Стэнфордский геотермальный семинар.
Стэнфордский документ был подготовлен по заказу Целевой группы по чистому воздуху и включает в себя вклад Терры Роджерс и Брюса Хилла из CATF.