Перспектива практически неограниченной чистой геотермальной энергии теперь значительно ярче. Лаборатория экспериментальной механики горных пород (LEMR) EPFL показала, что полупластичную, липкую породу на сверхкритических глубинах все еще можно расколоть, чтобы пропустить воду.
Наряду с ядерной энергией в форме деления или синтеза и одним или двумя другими передовыми источниками, геотермальная энергия имеет реальные перспективы сделать концепцию всеобщего дефицита энергии такой же устаревшей, как беспокойство о саблезубых тиграх. Используя огромное тепло недр Земли, теоретически возможно извлечь достаточно чистой энергии, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии 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 много миль под земной корой, и затраты на ее получение астрономические. В результате сегодняшняя геотермальная энергия является нишевым источником, который доступен только в нескольких разбросанных вулканических регионах, где тепло гораздо ближе к поверхности – как правило, далеко от того места, где требуется энергия.
Но практически везде на планете есть гораздо более мощный сверхкритический геотермальный ресурс, ожидающий своего часа, если бы вы могли просто пробурить скважину достаточно глубоко, чтобы добраться до действительногорячих пород, обнаруженных глубоко под поверхностью. Мы все еще говорим только о части расстояния через земную кору, но там достаточно жарко, чтобы нагреть воду до температуры более 400 °C (752 °F).
При этих температурах вода становится «сверхкритической» и начинает вести себя как нечто среднее между жидкостью и газом, текучая так же легко, как газ, но сохраняя плотность жидкости. Эту фазу можно использовать для извлечения большого количества энергии. С практической точки зрения, если вы сможете нагреть воду до сверхкритических температур, она может запустить геотермальную электростанцию с производительностью в 10 раз большей, чем обычная, использующая воду с более низкой температурой.
Плохая новость в том, что бурение на такие глубины — иногда за пределами мирового рекорда в 12 км (7,5 миль) глубины Кольской скважины — в настоящее время находится за пределами передовых инженерных разработок, хотя есть несколько очень многообещающих проектов, которые могли бы решить эту проблему в относительно короткие сроки.
Хорошая новость в том, что если бы мы могли освоить бурение на такую глубину, мы смогли бы устанавливать геотермальные станции практически в любой точке планеты — например, на заброшенных участках угольных электростанций, которые были закрыты. У них уже есть сетевые соединения и много парового турбинного 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 раздробить горную породу в процессе, удивительно похожем на тот, который используется при гидроразрыве пласта в нефти и газе. Fervo Energy удачно продемонстрировала, насколько этот подход может изменить геотермальную установку.
Но поскольку никто никогда не бурил так глубоко, наука не может сказать, может ли горная порода там трескаются и пропускают воду. Наблюдения, проведенные вблизи отметки 10 км (6,2 мили), показали, что порода начинает вести себя совсем иначе, чем ближе к поверхности.
Вместо того, чтобы быть твердой и хрупкой, она становится мягкой, пластичной и липкой, что говорит о том, что при сверхкритических температурах может оказаться невозможным расколоть породу и пропустить через нее воду.
По крайней мере, так обстояло дело до тех пор, пока группа из EPFL под руководством Габриэля Мейера не провела 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 в 10 километров (6,2 мили), порода больше не раскалывается, а деформируется равномерно, 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 состояния к пластичному (BDT). Эти лабораторные испытания особенно важны, потому что в реальном мире практически невозможно проводить такие наблюдения. Вместо этого испытательная установка воссоздала условия температуры и давления в образце породы, который сканировался синхротроном для создания 3D-изображений, которые затем были загружены в компьютерную симуляцию.
Они обнаружили, что порода ведет себя не как замазка, а как Silly Putty — популярная игрушка, которая ведет себя как жидкость и твердое тело. Если вы возьмете Silly Putty, вы легко сможете придать ей любую форму, а если вы ее положите, она очень медленно потечет, как жидкость. Но хитрость в том, что вы можете взять эту мягкую, текучую замазку, и если вы ударите по ней молотком, она разобьется, как стекло.
Согласно новому исследованию EPFL, скала, покрывающая сверхкритическую зону, действует аналогичным образом. Хотя она пластична, ее можно расколоть, чтобы вода могла течь через нее. Это означает, что с помощью сложной технологии глубокого фрекинга можно построить очень серьезные геотермальные станции.
Рентгеновские томографические сканы горных пород при разных температурах показывают, что их можно раскалывать для геотермальных целей далеко за пределами необходимых глубинEPFL
«Геологи долгое время считали, что точка хрупко-пластичного перехода является нижней границей циркуляции воды в земной коре», — говорит Мейер. «Но мы показали, что вода также может циркулировать в пластичных породах. Это очень многообещающее открытие, которое открывает новые направления исследований в нашей области».
Работа особенно актуальна для таких компаний, как Quaise Energy — стартап с Восточного побережья, работающий над демонстрацией того, что рекордные сверхглубокие геотермальные скважины можно бурить с помощью технологии ускорителя частиц, разработанной для области термоядерной энергетики, вместо буровых долот, которые просто не выдерживают такой глубины, когда температура повышается.
Такие компании, как Fervo и Sage Geosystems, доказывают, что подход фрекинга к геотермальной энергии позволяет извлекать 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 смогут вывести этот тип электростанции на рынок в больших масштабах, текущие потребности человечества в энергии просто перестанут быть проблемой. Чистые, адаптивные к сетям, круглосуточные, практически безграничные… В теории здесь много причин для оптимизма, и хотя еще предстоит решить множество беспрецедентных проблем, мы надеемся, что вскоре мы сможем сообщить о большем прогрессе.
Исследование было опубликовано в Nature Communications.
