Сверхкритическая геотермальная энергия обещает удовлетворить энергетические потребности человечества на миллионы лет, но насколько это практично? Новый анализ Картика Субраманиана из Lux Research предполагает, что это может быть где-то между невероятным и невозможным.
На первый взгляд, геотермальная энергия кажется блестящим источником энергии. Она чистая, в Земле достаточно тепла, чтобы обеспечить цивилизацию в обозримом будущем, и все, что вам нужно сделать, это пробурить скважину, чтобы получить ее.
Еще лучше то, что называется сверхкритической геотермальной энергией. Обычные геотермальные системы работают путем бурения скважин в областях, отмеченных вулканами или горячими источниками, и получения тепла либо путем закачивания воды в землю и последующего извлечения пара, либо путем установки теплообменника для нагрева воды внутри замкнутого контура трубопровода.
Это работает, но такие станции очень дороги в установке, и в мире есть только несколько мест, где их можно построить. Они также ограничены в выходной мощности, поскольку достигают только температуры около 200 °C (400 °F), что составляет выход энергии 5 МВт для одной генерирующей станции.
На практике это означает, что геотермальная энергия составляет всего около 0,5% от мирового производства электроэнергии и никогда не растет более чем на 3,5% в год.
Сверхкритическая геотермальная энергия выводит концепцию на новый уровень, либо находя очаги магмы вблизи поверхности на глубине всего 2 км (1,2 мили), либо находя горячую внутреннюю часть Земли на глубине до 20 км (12,4 мили). Здесь температура и давление настолько велики, что вода нагревается выше 373 °C (703 °F) и давление превышает 220 бар (3190,83 фунта/дюйм², 217 атм). В этом состоянии вода перегревается, но не может превратиться в пар. Она также способна удерживать в четыре-десять раз больше энергии, чем обычная вода или пар.
Другими словами, сверхкритическая геотермальная станция может иметь мощность 50 МВт, а три скважины могут иметь выходную мощность 42 обычных геотермальных скважин. Кроме того, обнаружение сверхкритического тепла — это просто вопрос либо нахождения магматического кармана, либо достаточно глубоких раскопок в любом заданном месте.
Это звучит здорово, но это серьезная инженерная задача, которая выводит методы и материалы бурения на самый край. Необходимо не только вырыть фантастически глубокие скважины, но и выдерживать давление, газы и коррозионные воздействия, которые быстро уничтожат любую обычную буровую установку. Однако есть и более серьезная проблема.
Чтобы добраться до этого прекрасного сверхкритического слоя или пузырька, сверло должно пройти через так называемую зону хрупко-вязкого перехода (BDTZ). Проще говоря, порода над сверхкритической зоной претерпевает изменения под воздействием температур и давлений на такой глубине. Вместо того чтобы быть хрупкой, порода становится податливой и пластичной. Представьте себе гранит, который можно раскатать в змей, как пластилин, и вы поймете идею.
BDTZ неоднородна. Верхняя область все еще хрупкая, нижняя пластичная, а центр представляет собой гибрид этих двух. Это означает, что сверлить ее очень трудно, требуя больших усилий для очень небольшого прогресса, и это очень тяжело для сверл и другого оборудования.
По словам Картика Субраманиана, чтобы пройти через BDTZ, необходимо досконально изучить зону бурения, чтобы найти хрупкие места на всем протяжении — если такие места существуют. Это также означает необходимость иметь дело непосредственно с жарой и едкими вулканическими газами, вырывающимися снизу, которые могут включать сероводород и диоксид серы.
На самом деле, эти проблемы не просто сложны, они могут быть непреодолимы с помощью современных технологий, а это значит, что мечта о сверхкритической геотермальной энергии может так и остаться мечтой.
«Сверхкритическая геотермальная энергия далека от коммерциализации и будет зависеть от достижений в методах бурения, цифрового моделирования ресурсов и разработки материалов для доступа к этим ресурсам для выработки электроэнергии», — сказал Субраманьян. «Несмотря на свой потенциал, сверхкритическая геотермальная энергия вряд ли сыграет заметную роль в энергетическом переходе из-за присущих ей технических препятствий. Если технические барьеры будут устранены, сверхкритическая геотермальная энергия будет экономичной только в регионах с вулканической или тектонической активностью на более низких глубинах, если только новые методы глубокого геотермального бурения не докажут обратное».
Проблемы глубокого бурения могут означать, что сверхкритическая геотермальная энергия может быть ограничена вулканическими регионами, такими как Исландия или Тихоокеанский огненный пояс, но преодоление BDTZ может быть преодолено технологией, разрабатываемой стартапом Quaise, поддерживаемым MIT и Кембриджским университетом. Эта компания планирует использовать пучок частиц, генерируемый «гиротроном», который может разрушить, расплавить и испарить проблемный слой пластиковой породы.
Насколько хорошо ей это удастся, покажут только время и попытки.
