EPFL: сверхглубокий гидроразрыв для безграничной геотермальной энергии возможен

Перспектива практически неограниченной чистой геотермальной энергии сейчас существенно ярче. Лаборатория экспериментальной механики горных пород (LEMR) EPFL показала, что полупластиковую липкую породу на сверхкритических глубинах еще можно трещинить, чтобы пропустить воду.

Наряду с ядерной энергетикой в форме деления или термоядерного синтеза – и одним или двумя другими передовыми источниками, геотермальная энергетика дает искреннее обещание сделать концепцию общего дефицита энергии столь же устаревшей, как и беспокойство о саблезубых тиграх. Используя огромную жару недр Земли, теоретически можно извлечь достаточно чистой энергии для удовлетворения всех энергетических потребностей человечества на миллионы лет вперед, решив самую большую проблему изменения климата более или менее в одночасье.

Проблема в том, что вся эта прекрасная энергия заперта на многие мили под земной корой, и затраты на ее достижение астрономические. В результате сегодняшняя геотермальная энергия представляет собой нишевый источник, который доступен только в нескольких разбросанных вулканических регионах, где тепло гораздо ближе к поверхности –, как правило, далеко от того места, где энергия необходима.

Но практически повсюду на планете есть гораздо более мощный сверхкритический геотермальный ресурс, ожидающий использования, если бы вы могли просто пробурить достаточно далеко, чтобы добраться до планеты действительно горячие камни оказались намного ниже поверхности. Мы все еще говорим лишь о части расстояния через земную кору, но там достаточно жарко, чтобы нагреть воду до температуры более 400 °C (752 °F).

При таких температурах вода становится «сверхкритической» и начинает действовать как нечто среднее между жидкостью и газом, течет так же легко, как газ, но сохраняет плотность жидкости. Эту фазу можно использовать для извлечения a лот энергии. В практическом плане, если вы можете довести воду до сверхкритических температур, она может эксплуатировать геотермальную электростанцию, мощность которой в 10 раз превышает мощность обычной, использующей воду с более низкой температурой.

Плохая новость заключается в том, что бурение до таких глубин – иногда за пределами мирового рекорда 12 км (7,5 мили) глубины Кольской скважины – в настоящее время находится за пределами передовых инженерных разработок, хотя есть несколько очень перспективных проектов, которые могли бы решить эту проблему в относительно короткий порядок.

Хорошая новость в том, что если мы мог освоив такое глубокое бурение, мы сможем установить геотермальные электростанции практически в любой точке планеты –, например, на заброшенных участках остановленных угольных электростанций. У них уже есть подключения к сети и много паротурбинного оборудования, почему бы не превратить климатические мечи в орала?

Есть много проблем, которые еще предстоит решить –. Одна из них заключается в том, что геотермальная энергия требует максимального контакта между поверхностями горных пород и жидкостью, которую они нагревают, и один из лучших способов значительно увеличить эту площадь контакта — это разрушить породу в процессе, удивительно похожем на к тому, который используется при гидроразрыве нефти и газа. Fervo Energy удачно продемонстрировала, насколько этот подход может повлиять на геотермальную электростанцию.

Но поскольку никто так далеко не бурил, наука не смогла сказать, есть ли там камень может тресните и пропустите воду. Наблюдения, проведенные вблизи отметки 10 км (6,2 мили), показали, что камень начинает вести себя совсем иначе, чем при его действии ближе к поверхности.

Вместо того, чтобы быть твердым и хрупким, он становится мягким, пластичным и липким –, что позволяет предположить, что невозможно разрушить породу и пропустить через нее воду при сверхкритических температурах.

По крайней мере, такая картина была до тех пор, пока команда EPFL под руководством Габриэля Мейера не провела некоторые лабораторные испытания с использованием нового трехосного аппарата на основе газа, синхротронных 3D-изображений высокого разрешения и моделирования методом конечных элементов.

«Когда вы приближаетесь к отметке 10 километров (6,2 мили), порода больше не трескается, а вместо этого равномерно деформируется, как мягкая карамель, и ее поведение становится сложным», — сказал Мейер. «Деформация происходит на уровне кристаллических структур в зерне». Я хотел выяснить, может ли вода циркулировать внутри породы, которая перешла в эту необычную пластичную форму.

Мейер и его команда воспроизвели давление и условия, обнаруженные в земной коре, чтобы наблюдать, как она меняется во время так называемого перехода от хрупкого к пластичному (BDT). Эти лабораторные исследования особенно важны, поскольку в реальном мире практически невозможно провести такие наблюдения. Вместо этого испытательный стенд воссоздал условия температуры и давления в образце породы, который сканировался синхротроном для создания 3D-изображений, которые подавались в компьютерное моделирование.

Они обнаружили, что камень действует меньше как замазка, чем Silly Putty –, популярная игрушка, которая действует как жидкость и твердое вещество. Если вы справитесь с Silly Putty, вы можете легко придать ей любую форму, которая вам нравится, и если вы установите ее вниз, она будет очень медленно течь, как жидкость. Но самое умное, что вы можете взять эту мягкую струящуюся замазку, и если вы ударите ее молотком, она разобьется, как стекло.

Согласно новому исследованию EPFL, горная порода, закрывающая сверхкритическую зону, действует аналогичным образом. Хотя он пластичен, его можно сломать, чтобы через него могла течь вода. Это означает, что с помощью какой-либо сложной технологии глубокого гидроразрыва можно было бы построить несколько очень серьезных геотермальных электростанций.

Рентгеновская томография горных пород при разных температурах показывает, что их можно разрушить в геотермальных целях далеко за пределами необходимой глубиныEPFL

“Геологи давно думали, что точка перехода из хрупкого состояния в пластичное является нижней границей циркуляции воды в земной коре,” говорит Мейер. “Но мы показали, что вода также может циркулировать в пластичных породах. Это весьма многообещающее открытие, которое открывает дальнейшие направления исследований в нашей области.”

Эта работа особенно актуальна для таких компаний, как Quaise Energy –, стартапа на Восточном побережье, работающего над демонстрацией того, что рекордные сверхглубокие геотермальные скважины можно затопить с использованием технологии ускорителей частиц, разработанной для области термоядерной энергии, вместо буровых долот, которые просто не прослужить так далеко, как только температура повысится.

Такие компании, как Fervo и Sage Geosystems, доказывают, что подход к гидроразрыву геотермальной энергии может получить гораздо больше энергии, чем традиционные методы. – это исследование доказывает, что эта концепция может сделать то же самое и для сверхглубоких сверхкритических геотермальных проектов.

Как уже говорилось ранее, если эти компании добьются успеха и сумеют вывести такого рода электростанции на рынок в больших масштабах, текущие энергетические потребности человечества просто перестанут быть проблемой. Чистый, реагирующий на сетку, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, практически безграничный… Теоретически здесь есть много поводов для оптимизма, и хотя многие беспрецедентные проблемы еще предстоит решить, мы надеемся, что в ближайшее время можно будет сообщить о большем прогрессе.

Исследование опубликовано в Природные коммуникации.

Источник: EPFL