Огромный неиспользованный источник зеленой энергии скрывается под вашими ногами

Огромный источник зеленой энергии под ногами

Немногие люди на Земле подошли ближе к ее центру, чем Баз Спейрер, инженер по бурению с долгой карьерой в нефтяной и газовой отрасли. До ядра остается около 1800 миль, горящего от космических столкновений, которые произошли миллиарды лет назад, и поддерживаемого трением и радиоактивностью до сих пор. Это нагревающееся вверх тепло превращает породу над ним в вязкую жидкость, а после в гелятинообразное состояние, которое геологи называют пластичностью. Только на глубине около 100 миль порода становится привычной, твердой и пригодной для бурения.

В настоящее время оборудование Спейрера находится примерно на глубине 8500 футов под нами, что составляет около 2 процентов пути сквозь этот слой, где температура уже настолько высока, что каждый дополнительный фут, каждый дополнительный дюйм, становится трудно достижимой победой. Внизу любая жидкость, которую выкачаете, превратится, как говорит Спейрер, в достаточно горячую, чтобы жарить индейку. “Представьте, что она вас обливает”, – говорит он. При этой температуре, около 450 градусов по Фаренгейту (228 градусов по Цельсию), его оборудование может начать испытывать проблемы. Электроника отказывает. Подшипники деформируются. Стоимость оборудования может составлять сотни тысяч долларов, и если оно поломается там, убедитесь, что оно не застрянет. В этом случае лучше просто забить эту скважину, которую, вероятно, стоило миллионы просверлить, подсчитать свои потери и двигаться дальше.

Даже когда все идет хорошо внизу, с поверхности Земли нелегко это узнать. “Это просто приводит в отчаяние”, – говорит Джозеф Мур, геолог из Университета Юты, глядя на неуверенные движения 160-футовой буровой установки через окно прицепа. Это прохладный день 2022 года, в удаленном западном округе Юты с названием Бивер, ветер веет с Минеральных гор в сторону свиноферм и ветряных турбин на долине внизу. Установка выглядит так же, как любая нефтегазовая установка на американском Западе. Но в граните под нами нет углеводородов, только тепло.

С 2018 года Мур возглавляет проект US Department of Energy (DOE) на сумму 220 миллионов долларов, называемый FORGE, или Фронтальная обсерватория для исследования геотермальной энергии, чтобы это тепло можно было использовать для производства электроэнергии практически в любой части мира. Геотермальная энергия сегодня является редким ресурсом, добываемым только в местах, где кора чуть-чуть трескается, и тепло смешивается с подземными водами, образуя горячие источники или гейзеры, которые могут приводить в действие турбины для производства электричества. Но такие водные горячие точки встречаются редко. Исландия, находящаяся между двух расходящихся тектонических плит, получает геологический джекпот и получает около четверти своей электроэнергии таким образом; в Кении вулканизм в Великой Рифтовой долине помогает поднять эту цифру до более чем 40 процентов. В США это всего лишь 0,4 процента, причем почти все оно приходит из Калифорнии и Невады.

Однако горячая порода есть везде, если пробурить достаточно глубоко. Проект Мура пытается создать “усовершенствованную” геотермальную систему, или EGS, достигая горячей и плотной породы, такой как гранит, раскалывая ее, чтобы образовать резервуар, а затем накачивая воду, чтобы она поглотила тепло. Затем вода вытягивается через вторую скважину, выходя намного горячее, чем была раньше: искусственный горячий источник, который может привести в действие паровые турбины. Этот дизайн может показаться простым, подводя воду от точки А к точке Б, но несмотря на полвека работы, сложности инженерии и геологии означают, что никто еще не смог сделать EGS работающим на практическом уровне.

• Threads – новое место для встречи – для брендов
• Хотите победить в войне чипов? Вам понадобится много воды
• Выборы в Испании ставят на поруки свободных работников против крайн...

Чистая, надежная энергия из недр Земли может дополнить энергию от ветра и солнца, которая иногда присутствует, а иногда отсутствует.

Мур пытается доказать, что это возможно. И в процессе, может быть, он сможет заинтересовать больше предпринимателей и инвесторов геотермальной энергией, каким он сам является. Возобновляемое производство электроэнергии, будь то от солнца, ветра или горячей земли, обычно предлагает стабильную, но незаметную прибыль после начала поставки энергии. Это нормально, если ваши первоначальные затраты невелики – требование, которому ветряные турбины и солнечные панели, как правило, соответствуют. К геотермальной энергии требуется рискованный проект бурения на многомиллионные суммы, чтобы начать. В то время как чистая, надежная энергия, получаемая из недр Земли, может дополнять энергию от ветра и солнца, есть более безопасные подземные ставки для тех, кто владеет опытом и финансированием для бурения: геотермальная скважина может окупиться за 15 лет; установка для добычи природного газа делает это за два.

Неудивительно, что во всем мире действуют 2 миллиона активных нефтегазовых скважин, но только 15 000 геотермальных, по данным норвежской энергетической консалтинговой компании Rystad Energy. Почти все они гидротермальные и полагаются на эти естественные источники горячей воды. Только некоторые из них являются EGS. Три работающих завода на востоке Франции производят только небольшое количество электроэнергии, проникнув в относительно холодную породу. Затем есть более горячие эксперименты, как здесь, в Юте, и на границе с Невадой, где хьюстонский стартап Fervo работает над соединением двух собственных скважин, проект, который должен обеспечить чистую энергию для центра обработки данных Google.

Мур считает, что FORGE может сделать EGS более привлекательным, показав, что возможно работать на более высоких температурах. Каждый дополнительный градус должен означать больше энергии, поступающей в сеть, и больше прибыли. Но бурение горячего и твердого гранита, а не более прохладного и мягкого сланца, который обычно разламывают газовые фракционеры, такие как Спайрер, не является тривиальной задачей. То же самое относится и к бурению широких скважин, необходимых для перемещения больших объемов воды для геотермальной электростанции. Таким образом, возникает проблема курицы и яйца: геотермальной индустрии нужны инструменты и техники, адаптированные из нефтяной и газовой промышленности – и, в некоторых случаях, полностью новые – но, поскольку никто не знает, будет ли работать EGS, они пока не существуют. Вот где и вступает FORGE, играя роль, которую Мур описывает как “снижение риска” для инструментов и методов. “Никто не будет тратить деньги, если я не потрачу эти деньги”, – говорит он.

В округе Бивер его команда тестирует мостовую пробку – в сущности, крышку, которая закрывает секцию трубы так, чтобы воду можно было вынудить проникнуть в окружающую скалу достаточной силой, чтобы разбить гранит. Сейчас уже позднее утро, и около дюжины баков с водой припаркованы рядом с буровой установкой. В обед они проверят, сможет ли пробка выдержать давление, и до ужина должны взорвать “пушки” – небольшие взрывные заряды – чтобы проколоть трубу. Затем они протолкнут воду, чтобы разделить скалу, успев к полуночному перекусу, – “если все пойдет гладко”, – говорит Мур.

Другими словами, обычная фракция, техника, которая за последние 15 лет затопила США изобилием природного газа. Но, пожалуйста, не используйте это слово слишком свободно – оно весьма табу в геотермальной энергетике, хотя будущее отрасли может зависеть от этой технологии. Чувствительность здесь не только связана с ассоциацией с полезными ископаемыми. Фракция в неправильном месте, над неким скрытым разломом, может вызвать землетрясение с разрушительной силой.

Команда тщательно следит за данными, записанными восьмью геофонами – акустическими датчиками, которые регистрируют сейсмические волны – подвешенными в близлежащих скважинах. Пока что единственный ясный сигнал – что там действительно очень жарко. Несколько минут до начала давления, Джон Маклэннан, химический инженер, совместно управляющий фракцией, подходит к прицепу с плохими новостями о паре геофонов.

“Оба они не справились”, – говорит он. “Не выдержали температуру”.

“Мне для этого уже слишком стар”, – отвечает Мур.

Прошло несколько долгих дней. Это не должно было быть 24-часовой операцией, но они задержались из-за сильного ветра и неисправной техники, впереди еще один долгой день и ночь. Теперь он потерял пару критических “ушей”, которые могли бы сообщить ему, что происходит под поверхностью.

Пока команда FORGE готовится к фракции, Мур и я едем в Минеральные горы, чтобы увидеть, почему геотермальная энергия до сих пор не реализовала свой потенциал. Мы останавливаемся у периметра забора геотермальной электростанции Блунделл, которая находится в нескольких милях от FORGE, на восточном краю горячей зоны, простирающейся на сотни миль к западу до Тихого океана. Привлекательность места очевидна. Рядом с участком трещины в скале указывают на места, где горячая вода бурлит на поверхность, несущая минералы, которые затвердели в ручейки кристаллов. В нескольких сотнях футов отсюда, вокруг 19-векового сарая, где ковбои и шахтеры раньше принимали горячие ванны, поднимаются сернистые облака от земли.

Станция, принадлежащая Портлендской электроэнергетической компании PacifiCorp, была построена во время геотермального бума во время нефтяного кризиса 1970-х годов. Но к моменту запуска своих турбин в 1984 году, цены на энергию снизились, и бум уже начал ослабевать. Большая часть сегодняшних американских электростанций все еще датируется 1980-ми годами – печальный факт для такого энтузиаста геотермальной энергетики, как Мур. Его собственный путь в отрасли начался примерно в то же время, когда он переквалифицировался с поисков радиоактивных месторождений урана – сама по себе угасающая отрасль, которая изначально привела его в Юту из его родного Нью-Йорка.

Он считает, что Блунделл особенно малоиспользуема, указывая на турбины, которые могли бы быть модернизированы для производства большего количества энергии, и места, где PacifiCorp могла бы пробурить больше гидротермальных скважин. “Это просто отсутствие риска”, – говорит он. “Они говорят: ‘Я не вижу, что находится под землей, поэтому я скептически отношусь к бурению'”. (PacifiCorp не ответил на запросы на комментарий.)

Только несколько компаний исследуют новые гидротермальные месторождения. Одна из них – Ormat Technologies, с головным офисом в Рено, которая владеет и управляет более чем 20 геотермальными электростанциями по всему миру. Пол Томсен, вице-президент по развитию бизнеса компании, рассказывает мне, как Ormat создала свой бизнес, покупая существующие станции и обновляя их турбины, чтобы извлекать больше энергии из той же горячей воды. Недавно, опираясь на свой опыт от бурения до эксплуатации станции, она начала строить новые станции.

Но выбрать победителей трудно, даже когда есть очевидный гидротермальный ресурс для использования. Пустынные города на Западе США бунтуют против предложений из-за опасений, что грунтовые воды будут истощены. И где бы ни искали биологи в горячих источниках, они находят уникальные виды, заслуживающие защиты. Добавьте к этому длительные процессы получения разрешений и проблемы с подключением новых станций к сети, и варианты сокращаются. У Ormat недавно возникли проблемы на двух из предлагаемых ею площадках – из-за грунтовых вод рядом с местом проведения фестиваля Burning Man в Неваде и из-за крошечной долины Дикси, где обитает вымирающая вид – худоба Дикси.

Трудности с естественными горячими источниками делают создание искусственных еще более привлекательным. В 2006 году Департамент энергетики США вместе с исследователями из Массачусетского технологического института опубликовал отчет, описывающий план сделать геотермальную энергию основным источником электроэнергии для США, чтобы помочь достичь климатических целей. Гибкость, предлагаемая технологией EGS, была в центре внимания. Хотя глубина, на которой горная порода достаточно нагревается, варьируется – например, на Западном побережье США она ниже, чем на Восточном побережье, – ученые полагали, что в большинстве мест будет разумно бурить для получения тепла, либо для производства электричества, либо для нагрева воды до высоких температур для обогрева зданий.

В 2014 году Департамент энергетики начал искать место для проведения эксперимента по использованию инструментов из нефтяной и газовой промышленности, и спустя четыре года выбрал графство Бивер в качестве дома для эксперимента. Незадолго до этого агентство рассчитало, что геотермальная энергия может удовлетворить 8,5 процента спроса на электроэнергию в США к 2050 году – это увеличение в 26 раз по сравнению с сегодняшним уровнем. Все, что необходимо было, – это доказательство того, что технология EGS работает.

Скважина Forge спускается прямо вниз на протяжении около 6000 футов (1,8 километра), достигая гранита примерно на две трети пути, прежде чем повернуть на 65 градусов и продолжить спуск еще на 5000 футов (1,5 километра). Среди страстей Мура, энергично демонстрируемых руками и на салфетках, – внутреннее “поле напряжений” гранита, которое определяет, как он будет трескаться под давлением.

Понимание этого напряженного поля является важным. Для эффективной электростанции трещины должны распространяться достаточно далеко, чтобы вода двигалась эффективно между двумя скважинами, но не слишком быстро, говорит Тереза Джордан, геотермальный ученый из Корнельского университета в Нью-Йорке, где она возглавляет проект EGS, направленный на обогрев зданий на кампусе с использованием геотермальной воды. “Вы хотите, чтобы это занимало время, проводя много времени в контакте с горной породой, которая нагревает ее”, – говорит она. Трещины также должны доставлять как можно больше воды во вторую скважину, а не в скрытые трещины на пути, и также оставаться горячими на протяжении многих лет использования. Горячие породы могут остыть, если холодная вода, подкачанная, поглощает тепло быстрее, чем оно может пополниться. Исчезание воды и уменьшение тепла играли роль в неудачных попытках использования технологии EGS в прошлом, включая Нью-Мексико в 1980-х годах и южную Австралию в 2015 году.

Эти риски заставили других искать другие подходы, каждый из которых имеет свои компромиссы. Один из них – “закрытая система” – включает прокладку герметичных труб в горячую породу, а затем обратно к поверхности, предотвращая утечку воды под землю. Однако оказалось сложно достаточно нагреть жидкость, которая не соприкасается с горячей породой напрямую. Или, может быть, вы пробурите очень глубоко – скажем, на глубину 12 миль, где температура может превышать 1650 градусов по Фаренгейту (900 градусов Цельсия), достаточно для того, чтобы тепло поднималось прямо на поверхность через одну скважину. Но инструменты для бурения на такие глубины все еще находятся на стадии эксперимента. Другие считают, что существующие нефтяные и газовые скважины – это ответ, что позволит сэкономить на затратах на бурение и использовать обширный инструментарий отрасли для собственных скважин. Однако узкие скважины, используемые для добычи ископаемого топлива, не предназначены для того, чтобы перекачивать огромные объемы воды, необходимые для электростанции.

Приверженцы EGS утверждают, что проекты, такие как FORGE, находят правильный баланс, добавляя достаточно тепла и гибкости по сравнению с традиционной геотермальной энергией, а также способны использовать методы нефтяной и газовой промышленности. Новые эксперименты по использованию технологии EGS стали возможными благодаря прогрессу в горизонтальном бурении и улучшению моделей гидроразрыва, говорит Тим Латимер, генеральный директор Fervo, сотрудничающей с FORGE в разработке собственного проекта EGS в Неваде. Он говорит мне, что считает, что прогнозы, которые используют инвесторы в энергетике для оценки затрат на геотермальное бурение, их не устраивают и они устарели на 15 лет. Во время бурения первой скважины на проекте FORGE команда продемонстрировала, что может уменьшить время на половину с помощью нового алмазного бура, что позволяет сократить общие затраты на 20 процентов.

Создание искусственного подземного резервуара требует использования гидроразрыва для создания трещин, соединяющих две параллельные скважины – одна для ввода холодной воды, а другая для извлечения горячей воды.

Предоставлено Utah FORGE

Около 15 часов, после нашей прогулки вокруг завода Блунделла, Мур возвращается на место бурения и видит, как Маклеенан бежит к нему, чтобы поприветствовать его. У него есть хорошие новости. Во-первых: пробка выдержала давление. Мур выдыхает, руки на бедрах. “Я рад, что это закончилось”, – говорит он. Позже, после срабатывания пушек и нагнетания воды, “сейсмическое облако” из мелких землетрясений, зарегистрированных оставшимися геофонами, подвешенными на меньшей глубине и температуре, указывает на то, что трещины простираются примерно на 400 футов от скважины – нужное расстояние для подключения ко второй, будущей скважине, которая будет поднимать вновь нагретую воду на поверхность. Третья хорошая новость заключается в том, что сейсмическое облако не могло быть ощутимо на поверхности.

Это особенно хорошие новости для Питера Майера, генерального директора Geo-Energie Suisse, геотермального энергетического консорциума. Он приехал в Юту из Швейцарии в основном, чтобы прослушать геофоны. В 2006 году после попытки инженеров швейцарского проекта EGS создать слишком большой водохранилище, которое нарушило неизвестную ранее разломную зону, произошло землетрясение магнитудой 3,1, повредившее окрестные дома в Базеле. (Геолог был подвергнут обвинениям в умышленном причинении вреда и небрежности, но позже был оправдан.) Местные власти в Швейцарии относились с опаской к операциям EGS с тех пор.

В 2017 году еще более сильное землетрясение, вызванное проектом EGS в Южной Корее и повредившее 82 человека, еще больше омрачило перспективы этой концепции. Но Майер считает, что эти землетрясения были вызваны неправильным планированием со стороны инженеров – их можно было избежать с более тщательным изучением горных пород. Он видит FORGE как возможность спасти репутацию EGS, продемонстрировав, что он работает безопасно. “Пока у нас нет удачного примера, это обсуждение о гидроразрыве, потому что в основном это и есть”, – говорит он.

Месторасположение FORGE находится к востоку от Минеральных гор, у подножия которых находятся горячие источники, используемые в обычной геотермальной электростанции.

Фотография: Эрик Ларсон/Flash Point SLC

В этом весной Мур вернулся в округ Бивер, чтобы пробурить вторую скважину. После почти года анализа данных от первого гидроразрыва он был уверен, что производственная скважина, пробуренная прямо через облако трещин от гидроразрыва, сможет успешно извлечь воду. В начале этого месяца его уверенность подтвердилась: Чуть менее 76 000 галлонов воды было введено через первую скважину со скоростью около 210 галлонов в минуту и вышло через другой конец в более нагретом состоянии. Полномасштабное испытание в 2024 году позволит приблизиться к расходам, требуемым для коммерческих геотермальных электростанций, которые должны циркулировать более тысячи галлонов в минуту.

Часть уверенности Мура заключалась в том, что он знал, что играет на легком уровне сложности. По задумке, две скважины слишком близко расположены друг к другу, чтобы выделять значительное количество тепла для электростанции – на этом этапе главным образом были протестированы и применены инструменты и технологии. Перед испытанием Мур был рад рассказать мне о новых гаджетах, доступных для создания производственной скважины, включая частицевое бурение, при котором камень разъедается при помощи стрельбы маленькими, высокоскоростными металлическими шариками; система поворотного бурения, которую можно управлять с поверхности; и модернизированные, более теплостойкие геофоны.

В итоге все три оказались менее полезными, чем надеялся Мур. Частицевое бурение и система поворотного бурения оказались более проблематичными, особенно по сравнению с предыдущим успехом алмазных наконечников. Усовершенствованные геофоны по-прежнему выходили из строя при температуре более 300 градусов Фаренгейта (150 градусов Цельсия); Мур говорит, что они в конечном итоге перейдут на теплостойкие геофоны на основе оптоволокна. Но в этом и заключается суть, говорит он, “снижение рисков”. Иногда полезно видеть, что ломается.

Есть и другие причины для оптимизма. Несколько дней после подключения к FORGE, Fervo опубликовала результаты своего 30-дневного испытания подключения в Неваде. Результат, по словам Латимера, – “самый продуктивный проект по улучшению геотермальной энергии, когда-либо завершенный”, производящий достаточно горячей воды для генерации около 3,5 мегаватт электричества. Скважины были пробурены рядом с существующей гидротермальной электростанцией, которая имеет возможность для увеличения мощности и будет производить электричество к концу лета, говорит он.

«Мы показали, что это работает», – говорит Латимер. «Теперь вопрос в том, насколько быстро мы сможем снизить стоимость». Это включает в себя нагрев. Колодцы Fervo в Неваде достигали пика в 370 градусов по Фаренгейту (190 градусов по Цельсию) – горячее, он указывает, чем любой другой горизонтальный нефтегазовый колодец в США – и достаточно горячее, чтобы доказать, что его собственные инструменты могут стать немного горячее в следующий раз. Кроме того, есть важные вопросы о бурении, добавляет он: оптимальное расстояние между скважинами, углы, глубина. «Это не то же самое, что программное обеспечение, где вы можете быстро итерироваться», – говорит он. Промышленности нужно больше экспериментов, больше проектов, чтобы выяснить самую продуктивную комбинацию – каждый из них обязательно будет дорогим и сложным.

Вероятно, появятся новые возможности для итерации. Закон США о снижении инфляции влил деньги в инфраструктуру зеленой энергетики, добавив стимулы к развитию геотермальной энергетики, более близкие к уже существующим, доступным для ветра и солнца. В то же время, Департамент энергетики США увеличил свою цель по генерации геотермальной электроэнергии к 2050 году на 50 процентов, до 90 МВт, основываясь частично на улучшенных перспективах технологии EGS, и в феврале объявил, что потратит дополнительные 74 миллиона долларов на пилотные демонстрации EGS. По мнению Мура, ни один из них не станет таким же горячим, как FORGE. «Я думаю, мы будем смотреть на температуры, где мы знаем, что инструменты работают», – говорит он. Но это начало.

Некоторые могут попытаться использовать эту теплоту для прямого нагрева, как проект Джордана в Корнелле. Другие могут бурить на краю известных гидротермальных зон, где тепло более доступно. И есть и другие творческие подходы для максимизации дохода. Fervo и другие предложили использовать свои скважины в качестве аккумуляторов – спускать воду, когда сеть имеет избыточную энергию, а затем вернуть ее горячей в менее благополучные времена, чтобы генерировать электроэнергию, или строить электростанции рядом с энергоемкими объектами, такими как центры обработки данных или будущие установки по удалению углерода, избегая проблем подключения к перегруженной электросети.

Для дальнейшего масштабирования потребуется гораздо больше инвестиций. И пока еще неизвестно, насколько инвесторы, особенно в нефтегазовой отрасли, подхватят эстафету. В этом году Fervo получила инвестицию в размере 10 миллионов долларов от нефтегазовой компании Devon Energy, пионера гидроразрыва пласта. В прошлом месяце стартап Eavor, занимающийся геотермальной энергетикой с замкнутым контуром, объявил, что BP Ventures возглавила его последний раунд финансирования. «Он перешел от нуля к чему-то», – говорит Хеннинг Бьорвик, который отслеживает геотермальную отрасль в Rystad, консалтинговой компании в области энергетики. Но нефть и газ все так же являются конкурентами – по оборудованию, опыту и земле, – как друзьями для геотермальной энергетики, и обязательства в отношении чистой энергии могут оказаться ненадежными, когда цены на ископаемое топливо начнут расти. Бьорвик говорит, что инвесторам нужно видеть, что эта зародышевая отрасль может масштабироваться до сотен или тысяч заводов, при достаточной потенциальной прибыли, чтобы перекрыть риски любого отдельного проекта.

Путь к этому, по мнению Мура, заключается в том, чтобы продолжать показывать, как все может становиться немного горячее. Завершение исследований на втором скважине FORGE исчерпает его текущий грант Департамента энергетики США к 2025 году, но он подал заявку на новое финансирование для бурения скважин, находящихся дальше друг от друга, и, конечно же, для испытания новых инструментов при еще более высоких температурах. К тому времени у него появится новый сосед. Буровая установка для следующего проекта Fervo уже видна с площадки FORGE – начало того, что планируется быть электростанцией полной мощности.

Если все пойдет по плану, она будет производить 400 мегаватт энергии, говорит Латимер, достаточно для питания 300 000 домов. Логично было бурить в тени как FORGE, так и Блунделла. Участок был подробно исследован и имеет сетевые соединения для передачи электроэнергии клиентам Fervo в Калифорнии. Цель – геотермальная энергия везде. Пока имеет смысл начать здесь.

• climate
• climate change
• Earth Science
• Energy
• Geology