Nowo potwierdzone dane ujawniają, że bardzo gorące, bardzo głębokie skały znajdujące się mile pod powierzchnią mogą tworzyć przepuszczalne pęknięcia, zwiększając perspektywy energii geotermalnej.
Skała ta w warunkach nadkrytycznych zwiększa przepuszczalność dziesięciokrotnie w porównaniu ze skałą znajdującą się na powierzchni, co sugeruje potencjalnie ekonomiczne i zrównoważone rozwiązanie energetyczne.
Potencjał supergorącej energii geotermalnej
Nowe dane laboratoryjne potwierdzają potencjał „świętego Graala” energii geotermalnej: czerpania z bardzo gorących, bardzo głębokich skał znajdujących się mile pod powierzchnią Ziemi, co może wygenerować czyste, odnawialne źródło energii zdolne do zastąpienia znacznej części paliw kopalnych powodujących globalne ocieplenie. Wyniki opublikowane w Komunikacja przyrodniczajako jedni z pierwszych wykazali, że w takich skałach mogą tworzyć się pęknięcia, które łączą się i zwiększają przepuszczalność. Do tej pory geolodzy nie byli pewni, czy jest to w ogóle możliwe.
Pęknięcia te są kluczowe, ponieważ przepływająca przez nie woda może stać się nadkrytyczna, tworząc fazę przypominającą parę, której większość ludzi nie zna. (Do faz typowych należą woda w stanie ciekłym, lód i para, takie jak te, które tworzą chmury). Woda nadkrytyczna z kolei „może szybciej i łatwiej przenikać przez pęknięcia oraz może przenosić na powierzchnię znacznie więcej energii w jednym odwiercie — około pięciu do dziesięciu razy więcej energii wytwarzanej przez dzisiejsze komercyjne studnie geotermalne” – wynika z raportu z 2021 r. „Geotermia z supergorących skał, wizja energii o zerowej emisji dwutlenku węgla „wszędzie”.”, przez Grupę Zadaniową ds. Czystego Powietrza.
Dane pokazują również, że skała pękająca w bardzo wysokich temperaturach może być dziesięciokrotnie bardziej przepuszczalna niż skała pękająca w warunkach bliższych powierzchni Ziemi, a także może łatwiej się odkształcać. Czynniki te mogą sprawić, że te zasoby geotermalne będą „znacznie bardziej ekonomiczne” – mówi Geoffrey Garrison, wiceprezes ds. operacyjnych w Quaise Energy, jednym z fundatorów tych prac. Quaise pracuje nad nowatorską techniką wierceń umożliwiającą dostęp do bardzo głębokich, bardzo gorących skał.
Debata geologiczna
Do tej pory geolodzy byli podzieleni co do tego, czy można wykorzystać ten supergłęboki, supergorący zasób. Skała pod tak wysokim ciśnieniem i temperaturą – ponad 375oC lub 707 oF – jest plastyczny lub lepki, w przeciwieństwie do rozbijalnego kamienia z podwórka. W rezultacie niektórzy twierdzą, że nie można utworzyć złamań. A jeśli będą mogli, czy pozostaną otwarte?
Obecne prace, prowadzone pod kierunkiem zespołu z Ecole Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL), potwierdzają, że pęknięcia rzeczywiście mogą tworzyć się w bardzo gorących, bardzo głębokich skałach znajdujących się w pobliżu przejścia skorupy od kruchego do plastycznego. W tym ostatnim przypadku twarda, krucha skała zaczyna przekształcać się w materiał plastyczny lub bardziej giętki.
„W wyniku tych prac wypływa także wiele innych danych, które wpłyną na nasze podejście do wykorzystania zasobów” – mówi Garrison. Na przykład: „Jak mocna jest skała? Jak daleko sięgają złamania? Ile złamań możemy stworzyć?”
„Wszystko to pomoże nam ośmieszyć związane z tym wiercenia, które są bardzo kosztowne. Nie dostajesz zbyt wielu szans. Nie musisz wtedy wiercić dziury, jak wieszać obrazu, przesuwać go, jeśli przegapiłeś najlepszą lokalizację.
„Ekscytujące znalezisko”
Peter Massie jest dyrektorem Biura Energii Geotermalnej w Instytucie Cascade, co niedawno ujawnił raport z grupą zadaniową ds. czystego powietrza na temat odwiertów w celu uzyskania supergorącej energii geotermalnej. Massie, który nie był zaangażowany w Komunikacja przyrodnicza pracy, umieściłem następujący komentarz na ten temat X:
„Ekscytujące odkrycie: ekstremalne temperatury i ciśnienie mogą pomóc w tworzeniu ulepszonych systemów geotermalnych [EGS]. W bardzo wysokich temperaturach skały stają się plastyczne (plastyczne), co, jak oczekiwano, będzie utrudniać EGS. To wspiera [the] perspektywa ultragłębokiej, „nadkrytycznej” energii geotermalnej, która umożliwi znaczny wzrost produkcji”.
Badaniami kierowała profesor nadzwyczajna Marie Violay, kierownik Laboratorium Eksperymentalnej Mechaniki Skał w EPFL. Mówi Violay:
„Ta praca jest ekscytująca, ponieważ przedstawia pierwsze pomiary przepuszczalności przeprowadzone podczas odkształcenia w warunkach ciśnienia i temperatury charakterystycznych dla głębokich nadkrytycznych zbiorników geotermalnych w pobliżu przejścia kruchego w ciągliwy w skorupie.
„Wykazaliśmy, że przejście od kruchego do plastycznego nie stanowi odcięcia dla cyrkulacji płynu w skorupie, co jest obiecujące dla eksploatacji głębokich złóż geotermalnych. Dostępnych jest bardzo niewiele danych in situ, a są to jedne z pierwszych wyników eksperymentów, które rzucają światło na tak ekstremalne warunki”.
Współautorzy Violay Komunikacja przyrodnicza pierwszym autorem artykułu są Gabriel G. Meyer i Ghassan Shahin, obaj z EPFL, oraz Benoit Cordonnier z European Synchrotron Radiation Facility.
Co się dzieje?
Konsystencja super gorącej, supergłębokiej skały jest podobna do Silly Putty. „Jeśli pociągniesz go powoli, rozciąga się i staje się elastyczny. Ale jeśli naprawdę szybko wyciągniesz kawałek Silly Putty, pęknie. A to jest kruche zachowanie” – mówi Garrison.
Innymi słowy, kontynuuje, „jeśli w tak ekstremalnych warunkach skałę poddaje się wystarczająco powolnym naprężeniom, może ona się rozciągnąć, a nie pęknąć. Ta praca pokazuje, że skała pęknie w takich warunkach, ale aby to zrobić, należy ją szybko naprężyć”.
Badania potwierdzają pracę teoretyczną zgłoszono na początku tego roku W Energia geotermalna pokazując, że powstałe pęknięcia tworzą gęstą „chmurę przepuszczalności” w całej dotkniętej skale. Kontrastuje to ze znacznie większymi i mniejszą liczbą makroskopowych pęknięć powodowanych przez obecnie stosowane inżynieryjne systemy geotermalne (EGS), które działają bliżej powierzchni i w znacznie niższych temperaturach.
W rezultacie symulacje stosowane w Energia geotermalna prace przewidują, że supergorący system może dostarczyć od pięciu do dziesięciu razy więcej mocy niż zwykle wytwarzana obecnie przez EGS, i będzie to trwało nawet dwie dekady.
Unikalna maszyna eksperymentalna
Garrison zauważa, że na świecie jest bardzo niewiele obiektów zdolnych do wykonywania pomiarów prowadzonych w EPFL.
„Najlepsza część” mówi Violay [of this research] było opracowanie unikalnej maszyny eksperymentalnej zdolnej do odtworzenia warunków ciśnienia, temperatury i odkształcenia głębokich złóż nadkrytycznych w pobliżu przejścia kruchego w plastyczny. Ponadto byliśmy w stanie połączyć wyniki eksperymentów ze zdjęciami rentgenowskimi in situ uzyskanymi z ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), oferując kompleksowy obraz zachodzących procesów”.
Odniesienie: „Podział przepuszczalności poprzez przejście kruche do plastycznego i jego konsekwencje dla nadkrytycznych zbiorników geotermalnych”, Gabriel G. Meyer, Ghassan Shahin, Benoît Cordonnier i Marie Violay, 5 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52092-0
Oprócz Quaise Energy prace te były finansowane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, Szwajcarską Narodową Fundację Nauki, unijny program badań i innowacji „Horyzont 2020”, Szwajcarski Federalny Urząd ds. Energii i Alta Rock Energy.
