Разрушение горных пород для чистой геотермальной энергии: новые перспективы

Перспектива практически неограниченной чистой геотермальной энергии теперь значительно ярче. Лаборатория экспериментальной горной механики (LEMR) Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) показала, что полутвердая, клейкая горная порода на сверхкритических глубинах все еще может быть разрушена для пропуска воды. Вместе с ядерной энергией в форме деления или слияния – и еще одним или двумя передовыми источниками, геотермальная энергия дает реальное обещание сделать концепцию общих энергетических дефицитов устаревшей, как беспокойство о саблезубых тиграх. Подключившись к огромному теплу внутренности Земли, теоретически можно извлечь достаточно чистой энергии, чтобы удовлетворить все энергетические потребности человечества на миллионы лет вперед, решив самую большую проблему изменения климата более или менее мгновенно. Проблема заключается в том, что вся эта прекрасная энергия заключена на мили под корой Земли, а затраты на ее достижение астрономические. В результате сегодняшняя геотермальная энергия является нишевым источником, который доступен только в нескольких разрозненных вулканических регионах, где тепло гораздо ближе к поверхности – обычно далеко от места, где нужна энергия. Но практически везде на планете есть гораздо более мощный сверхкритический геотермальный ресурс, который ждет своего часа, если бы вы могли просто пробуриться достаточно глубоко, чтобы добраться до действительно горячих пород, найденных глубоко под поверхностью. Мы все еще говорим только о части расстояния через кору Земли, но там достаточно жарко, чтобы нагреть воду до температур более 400 °C (752 °F). При таких температурах вода становится “сверхкритической” и начинает вести себя как что-то посередине между жидкостью и газом, легко течет как газ, но сохраняет плотность жидкости. Эта фаза может быть использована для извлечения большого количества энергии. Практически, если вы сможете довести воду до сверхкритических температур, она может приводить в действие геотермальную электростанцию с десятикратным выходом по сравнению с обычной, использующей воду низкой температуры. Плохие новости заключаются в том, что пробуривание до таких глубин – иногда за пределы мирового рекорда в 12 км (7,5 мили) глубиной скважины Кола – в настоящее время находится за передовыми технологиями инженерии, хотя есть несколько очень многообещающих проектов, которые могли бы решить эту проблему в относительно короткие сроки. Хорошая новость заключается в том, что если бы мы смогли овладеть бурением на такую глубину, мы могли бы установить геотермальные электростанции практически в любой точке планеты – например, на заброшенных участках угольных электростанций, которые были закрыты. У них уже есть сетевые соединения и много оборудования паровых турбин, почему бы не превратить климатические мечи в орудия пашни? Есть много проблем, которые еще предстоит решить – одна из них заключается в том, что геотермальная энергия требует максимального контакта между поверхностями пород и жидкостью, которую они нагревают, и одним из лучших способов значительно увеличить эту площадь контакта является раскол породы в процессе, замечательно похожем на используемый в нефтяной и газовой гидроразрыв. Компания Fervo Energy убедительно продемонстрировала, насколько большая разница может быть в подходе к геотермальной электростанции. Но поскольку никто никогда не бурил на такую глубину, наука не смогла сказать, может ли порода на такой глубине треснуть и пропустить воду. Наблюдения, сделанные близко к отметке в 10 км (6,2 мили), показали, что порода начинает вести себя совершенно иначе, чем ближе к поверхности. Вместо того чтобы быть твердой и хрупкой, она становится мягкой, пластичной и клейкой – что указывает на то, что возможно невозможно расколоть породу и пропустить через нее воду при сверхкритических температурах. По крайней мере, такова была картина до тех пор, пока команда EPFL под руководством Габриэля Мейера не провела некоторые лабораторные испытания, используя новый газовый трехосный аппарат, высокоразрешающую синхротронную 3D-изображение и моделирование методом конечных элементов. “Когда вы подходите к отметке в 10 километров (6,2 мили), порода больше не трескается, а вместо этого равномерно деформируется, как мягкий карамельный карамель, и ее поведение становится сложным”, – сказал Мейер. “Деформация происходит на уровне кристаллических структур в зерне. Я хотел узнать, может ли вода циркулировать в породе, которая перешла в эту необычную пластичную форму”. То, что сделал Мейер и его команда, – это воспроизведение давления и условий, обнаруженных в земной коре, чтобы наблюдать, как оно меняется во время так называемого перехода от хрупкого к пластичному (BDT). Эти лабораторные испытания особенно важны, потому что практически невозможно делать такие наблюдения в реальном мире. Вместо этого испытательная установка воссоздала температурные и давленионные условия в образце породы, который был отсканирован синхротроном для создания 3D-изображений, которые были поданы в компьютерное моделирование. Они обнаружили, что порода ведет себя менее как пластилин, чем Silly Putty – популярная игрушка, которая ведет себя как жидкость и твердое тело. Если вы обращаетесь с Silly Putty, вы легко можете формовать ее в любую форму, которую хотите, и если вы установите ее, она очень медленно будет течь как жидкость. Но умная часть заключается в том, что вы можете взять этот мягкий, текучий пластилин и если ударить его молотком, он разобьется как стекло. Согласно новому исследованию EPFL, порода, покрывающая сверхкритическую зону, ведет себя аналогичным образом. Хотя она пластична, ее можно разрушить, чтобы вода могла протекать через нее. Это означает, что с помощью некоторой сложной технологии глубокого гидроразрыва может быть выполнимо построить очень серьезные геотермальные электростанции. Рентгеновские томографические сканы породы при разных температурах показывают, что ее можно разрушить для геотермальных целей на глубоких глубинах EPFL “Геологи долгое время считали, что точка перехода от хрупкого к пластичному была нижней границей для циркуляции воды в земной коре”, – говорит Мейер. “Но мы показали, что вода также может циркулировать в пластичной породе. Это очень многообещающее открытие, которое открывает дальнейшие пути исследования в нашей области”. Работа особенно актуальна для компаний, таких как Quaise Energy – стартап на Восточном побережье, работающий над демонстрацией того, что рекордно глубокие сверхглубокие геотермальные скважины могут быть пробурены с использованием технологии ускорителя частиц, разработанной для области ядерного синтеза, вместо буровых инструментов, которые просто не держатся на такой глубине, как только температура поднимается. Компании, такие как Fervo и Sage Geosystems, доказывают, что подход к геотермальной энергии с использованием гидроразрыва может извлечь намного больше энергии, чем традиционные методы – это исследование доказывает, что концепция может сделать то же самое для проектов сверхглубоких сверхкритических геотермальных проектов. Как уже упоминалось, если эти компании добьются успеха и смогут вывести такую электростанцию на рынок в масштабе, энергетические потребности человечества просто перестанут быть проблемой. Чистая, сетевая, 24/7, практически неограниченная… Здесь есть много поводов для оптимизма в теории, и хотя многие непреодолимые проблемы еще предстоит решить, мы надеемся, что скоро будет больше прогресса для отчета. Исследование было опубликовано в Nature Communications. (Источник: EPFL)