Компания Quaise представляет себе многообещающее будущее, в котором глубинная геотермальная энергия станет глобально доступным, экологически чистым и богатым источником энергии.
Никогда еще мир не был так сосредоточен на поиске чистых, возобновляемых источников энергии для замены ископаемого топлива. Нефть, уголь и природный газ играли ключевую роль в обеспечении экономического роста со времен промышленной революции. Эта модель, основанная на кажущейся неограниченной доступности этих ресурсов, позже была принята развивающимися странами, что привело к резкому увеличению вредных выбросов, которые в настоящее время представляют глобальную угрозу для человечества.
Существуют экологически чистые альтернативы, такие как солнечная энергия, энергия ветра, гидро- и геотермальная энергия. Солнечная радиация и ветер – это природные явления, но их недостатком является непостоянство и непредсказуемость. Аккумуляторы способны помочь сгладить эти колебания, накапливая энергию для использования в периоды, когда не светит солнце или не дует ветер. Однако использование аккумуляторов сопряжено с определенными трудностями, в том числе с необходимостью применения редкого и дорогостоящего сырья.
Геотермальная энергия, напротив, надежна и чиста, но традиционно используется только в определенных геологически активных регионах. До сих пор реальной проблемой был доступ к огромным запасам тепла, заключенным глубоко под землей. Появляются новые технологии, позволяющие бурить достаточно глубоко, чтобы получить потенциально неограниченную геотермальную энергию.
Как и где Земля удерживает тепло?
Тепловая энергия, удерживаемая Землей, имеет два источника. Первый – это остаточное тепло после образования планеты. Когда Земля образовалась около 4,5 млрд. лет назад, колоссальная гравитационная энергия преобразовалась в тепло при столкновениях и сжатии. Радиоактивный распад – еще один источник тепла. Когда такие элементы, как уран-238 и -235, торий-232 и калий-40, находящиеся в мантии и земной коре, подвергаются распаду, они со временем выделяют тепло. Без этого тепла недра Земли охлаждались бы гораздо быстрее, что значительно изменило бы ее геодинамическое поведение и повлияло бы на жизнь.
Это тепло непрерывно выходит наружу из недр Земли к поверхности, но очень медленно. Плотность теплового потока, измеряемая в милливаттах на квадратный метр и показывающая, сколько тепла выходит из земли на единицу поверхности, составляет около 87 МВт/м2.
Земля состоит из двух доступных слоев:
- Земная кора: простирается на глубину до 70 км, где работает большинство геотермальных установок
- Верхняя мантия: от 70 до 660 км, источник огромного количества неиспользованного геотермального тепла
Углубляясь еще дальше, мы сталкиваемся с нижней мантией (чрезвычайно горячей, но недоступной при современных технологиях), внешним ядром из жидкого железа (>4000°C) и внутренним ядром (состоящим из твердого металла с температурой, близкой к температуре поверхности Солнца, и давлением около 3,6 млн. атмосфер, или 360 ГПа).
Геотермальный градиент в континентальной коре составляет от 25°C/км до 30°C/км, но в вулканически или тектонически активных районах он может достигать от 60°C/км до 100°C/км. В стабильных континентальных условиях его значение колеблется от 10°C/км до 5°C/км.
Как геотермальное тепло превращается в полезную энергию?
Существует несколько способов извлечения геотермальной энергии, помимо простого использования пара для выработки электроэнергии, как в установках сухого пара.
В установках мгновенного пара горячая вода (температура выше 180°C) подается на поверхность под высоким давлением. Когда давление падает, вода «превращается» в пар, который приводит в действие турбины для выработки электроэнергии.
В установках двойного цикла используется умеренно горячая вода (обычно от 70°C до 170°C) для нагрева вторичной жидкости с более низкой температурой кипения. Когда эта вторичная жидкость испаряется, она приводит в действие турбину. Этот метод используется в тех случаях, когда геотермальная вода недостаточно горячая для непосредственного производства пара.
Геотермальную энергию также можно использовать непосредственно для отопления. Горячая вода циркулирует по трубопроводам для обеспечения теплом зданий, теплиц, спа-салонов или промышленных процессов.
Заглядывая в будущее, можно сказать, что сверхкритические геотермальные системы могут генерировать в 10 раз больше энергии, чем традиционные методы. Эти системы требуют чрезвычайно глубокого бурения для достижения глубин, где температура превышает 500°C. На таких глубинах вода может перегреваться, образуя высокоэффективный пар, идеально подходящий для выработки электроэнергии. Стартап Quaise Energy в настоящее время разрабатывает эту технологию.
Quaise – это стартап, стремящийся революционизировать добычу геотермальной энергии с помощью новых технологий бурения. Основанная в 2018 году как дочернее предприятие Массачусетского технологического института, организация специализируется на освоении глубоких геотермальных ресурсов путем бурения гораздо глубже, чем традиционными методами, потенциально достигая глубины до 20 км под поверхностью Земли. Данная технология основана на исследованиях ядерного синтеза, проведенных в Массачусетском технологическом институте.
Quaise возглавляет соучредитель и генеральный директор Карлос Араке, обладающий обширным опытом работы в нефтяной отрасли. Компания видит многообещающее будущее, в котором глубинная геотермальная энергия станет глобально доступным, экологически чистым и богатым источником энергии. Преодолевая ограничения обычного механического бурения, компания стремится раскрыть огромный потенциал геотермальной энергии и сыграть ключевую роль в глобальном переходе к «зеленой» энергетике.
Технология бурения с использованием высокочастотных миллиметровых волн
Бурение с использованием высокочастотных миллиметровых волн – это увлекательная и новаторская технология (особенно удачный термин в данном контексте), которая занимает центральное место в миссии Quaise по радикальному использованию геотермальной энергии.
Данная инновация представляет собой бесконтактный метод бурения, использующий высокочастотные электромагнитные волны, в частности, в миллиметровом диапазоне электромагнитного спектра (30-300 ГГц), для испарения подземных пород.
В системе используется гиротрон – мощная вакуумная лампа, которая генерирует сфокусированный пучок миллиметровых волн. Эти волны, подаваемые в скважину по специальным волноводам, направляются точно на породу на дне. Когда на камень воздействуют миллиметровые волны, он поглощает энергию, и его температура быстро повышается. Достигнув точки испарения, камень сублимируется, превращаясь непосредственно в пар.
Поскольку в результате этого процесса образуется зона, напоминающая плазму, испаренная порода затем удаляется либо с помощью потока инертного газа, либо с помощью системы регулирования давления. В последнем случае в верхней части скважины создается небольшой вакуум, который вытягивает газообразную породу вверх за счет градиента давления.
Преимущества технологии бурения с использованием высокочастотных миллиметровых волн
Глубинная геотермальная энергия доступна практически в любой точке Земли, а не только в вулканически активных районах, что является огромным, неиспользованным источником энергии. В отличие от солнечной энергии и ветра, она может обеспечивать непрерывную работу в круглосуточном режиме.
Поскольку данный метод бурения не предусматривает физического контакта, сверла не подвергаются механическому износу. Это позволяет выполнять более быстрое и глубокое бурение в сверхтвердых материалах, когда при традиционных методах оборудование часто выходит из строя или быстро изнашивается. Проникновение в более глубокие и горячие зоны позволяет использовать сверхкритическую геотермальную энергию, которая содержит в 5-10 раз больше энергии на единицу, чем обычные геотермальные жидкости.
Другим существенным преимуществом является возможность перепрофилирования старых электростанций, работающих на ископаемом топливе, путем замены источников тепла глубокими геотермальными скважинами. Это позволяет Quaise использовать существующую инфраструктуру и рабочую силу, ускоряя переход на экологически чистую энергетику и снижая капитальные затраты.
Наконец, геотермальные электростанции занимают меньшую площадь, чем другие возобновляемые источники энергии, такие как ветряные или солнечные электростанции.
Лабораторный тест по бурению с использованием высокочастотных миллиметровых волн, проведенный компанией Quaise перед демонстрацией в полевых условиях
Энергия, необходимая для бурения
Для испарения породы требуется большое количество энергии – значительно больше, чем для ее плавления. Например, для испарения гранита требуется примерно 2000 – 3000 кВт*ч/м3. Это включает в себя нагрев горных пород более чем до 2000°C, в зависимости от их состава.
Для достижения этой цели компания Quaise использует гиротроны мощностью в мегаватт. Несмотря на высокую потребность в энергии, потенциальная долгосрочная отдача энергии от сверхглубоких геотермальных источников на порядок выше, что делает процесс экономически и энергетически устойчивым в масштабе производства. В случае успеха этот метод может обеспечить геотермальную мощность в тераваттном масштабе, достаточную для замены значительной части современной электроэнергии, вырабатываемой на ископаемом топливе.
Принцип работы гиротрона
Гиротрон можно рассматривать как устройство, преобразующее кинетическую энергию электронов в электромагнитное излучение.
Во-первых, электроны испускаются из нагретого катода в вакууме. Сильное магнитное поле заставляет их закручиваться в тугие спирали с помощью силы Лоренца – движения с угловой частотой, известного как циклотронный резонанс.
Когда эти вращающиеся по спирали электроны проходят через резонатор, их движение взаимодействует с электромагнитным полем резонатора. Взаимодействие вызывает передачу энергии от электронов к полю, усиливая электромагнитные волны на частоте, определяемой скоростью электронов, напряженностью магнитного поля и геометрией резонатора.
В результате получается когерентное микроволновое излучение в миллиметровом диапазоне волн. Затем эти волны направляются в волноводы, которые подают энергию к цели, например, на дно скважины для геотермального бурения.
Возможности глубокого геотермального бурения
Технология Quaise может сыграть решающую роль в глобальном переходе к экологически чистой энергетике, потенциально создавая новые рабочие места и стимулируя экономический рост – возможности, которые одинаково доступны для любой страны.
Помимо выработки электроэнергии, глубинная геотермальная энергия может также поддерживать крупномасштабные промышленные процессы, требующие высоких температур, например, опреснение воды – жизненно важное решение в связи с сокращением запасов пресной воды.
Хотя Quaise видит огромный потенциал в использовании глубинной геотермальной энергии, компания придерживается взвешенного и прагматичного подхода, начиная с пилотных проектов и демонстраций перед полномасштабным коммерческим внедрением. В настоящее время проводятся полевые испытания, и компания намерена ввести в эксплуатацию коммерческую электростанцию к 2028 году, продемонстрировав ощутимый прогресс в достижении поставленных целей.
Такое взвешенное управление рисками нашло отклик у инвесторов, что свидетельствует о твердой уверенности в потенциале технологии и стратегии организации.
