Что скажет Антей? Как взять энергию у планеты.

Источник. 

В северной части штата Нью-Йорк есть заброшенная угольная электростанция, которую большинство людей считают бесполезным пережитком. Но инженер-исследователь Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института Пол Восков видит вещи несколько иначе: он надеется, что сумеет запустить её в новом, полностью безуглеродном, формате в течение уже ближайших десяти лет.

И для этого есть все технические, инженерные и научные предпосылки. Во-первых, отмечает он, силовая турбина станции пребывает в целости и сохранности, да к тому же и линии электропередач все ещё в рабочем состоянии. Но главное, что подход, над которым сам учёный работает последние 14 лет, действительно имеет все шансы позволить перепрофилировать станцию с ископаемого твёрдого угольного топлива на альтернативное: экологически чистое и возобновляемое.

Компания Quaise Energy, которая занимается коммерческой стороной проекта Воскова, считает, что успешная модернизация одного такого энергодобывающего объекта будет означать возможность подобной адаптации практически на всех электростанциях – от угольных до газовых – по всему миру. Всё, что требуется – подключиться к источнику энергии под нашими ногами. 

Для этого необходимо испарить немало горных пород, чтобы создать самые глубокие в мире ямы, посредством которых можно будет собирать геотермальную энергию в просто невероятных масштабах. Есть предположения, что такое её количество могло бы удовлетворить потребности человечества на миллионы лет. 

Конечно, пока ещё не все связанные с этим инженерные задачи решены, но при всей амбициозности планов начать сбор энергии из пилотной скважины уже к 2026 году, разработчики считают эту цель вполне достижимой.

И дело тут вовсе не в оптимистическом энтузиазме, а – наоборот – в том, что саму идею никак нельзя назвать фантастической: она основана на вполне проверенных технологиях. Системы бурения, над которыми работает коллектив, строятся вокруг излучающего микроволны устройства, называемого гиротроном, десятилетиями используемого в исследованиях и производстве.

«Это произойдёт быстро, как только мы решим насущные инженерные проблемы передачи чистого луча и обеспечения его работы с высокой плотностью энергии без поломок, – объясняет Пол Восков, который формально не связан с Quaise, но выступает в качестве консультанта. – Это произойдёт быстро, потому что базовая технология, гиротроны, коммерчески доступна. Вы можете разместить заказ в компании и получить систему прямо сейчас — конечно, эти источники луча никогда не использовались 24 часа в сутки 7 дней в неделю, но они спроектированы, чтобы работать в течение длительного периода времени. Через пять или шесть лет, я думаю, у нас будет работающий завод, если мы решим эти инженерные проблемы. Я очень оптимистичен».

Многие исследователи десятки лет используют гиротроны для нагрева материала в экспериментах по ядерному синтезу. Однако только в 2008 году, после того как Энергетическая инициатива Массачусетского технологического института (MITEI) опубликовала запрос предложений по новым технологиям геотермального бурения, Восков подумал об использовании гиротронов для нового применения.

«[Гиротроны] не получили широкой огласки в научном сообществе, но те из нас, кто занимается термоядерными исследованиями, понимали, что они являются очень мощными источниками луча — как лазеры, но в другом частотном диапазоне, – поясняет учёный. – Я подумал, почему бы не направить эти мощные лучи вместо расплавленной плазмы вниз, в скалу, и выпарить дыру?»

Поскольку в последние десятилетия разработка других возобновляемых источников энергии резко возросла, развитие геотермального сегмента несколько замедлилось и даже приостановилось, обнаружив так называемый выход на плато. Это случилось главным образом потому, что геотермальные электростанции существуют только в местах, где природные условия позволяют извлекать энергию на относительно небольшой глубине до 122 метров. Причина такой ситуации кроется в том, что с дальнейшим увеличением глубины бурение становится крайне непрактичным: более глубокие пласты обладают настолько большими температурами и твёрдостью, что попросту не оставляют шансов обычным механическим буровым установкам, до крайности быстро изнашивая любое долото.

Идея Воскова использовать гиротронные лучи для испарения горных пород отправила его в исследовательское путешествие, которое всё ещё продолжается. В ходе своих испытаний он быстро заполнил свой офис небольшими скальными образованиями, взорванными миллиметровыми волнами из небольшого гиротрона в Центре плазменной науки и термоядерного синтеза MIT.

Далее, примерно в 2018 году, эти камни привлекли внимание Карлоса Араке, который всю свою карьеру работал в нефтегазовой отрасли и в то время был техническим директором инвестиционного фонда MIT The Engine. Он вдохновился идеей коллеги.

«Нам нужно идти глубже и горячее, чтобы действительно сделать геотермальную энергию глобальным источником, поэтому больше не нужно находиться рядом с вулканом, или в Исландии, или в типичных геотермальных зонах, – раскрывает он общий смысл и добавляет пояснение о роли гиротрона: – Это похоже на магнетрон в вашей микроволновой печи, но гораздо более мощный и эффективный».

В том же году Арак и Мэтт Хоуд, работавшие с геотермальной компанией AltaRock Energy, основали Quaise, которой вскоре Министерство энергетики предоставило грант на расширение экспериментов Воскова с использованием более крупного гиротрона.

Это придало основательного ускорения работе. С помощью более крупной машины команда планирует добиться испарения породы для получения скважины глубиной в 10 раз больше лабораторных экспериментов автора идеи. Ожидается, что это будет сделано к концу текущего года. Однако после этого команду ждёт ещё более амбициозная задача в виде того же 10-тикратного увеличения, но уже от новой глубины, реализовав таким образом соотношение 100:1.

«Это то, что [Министерство энергетики] особенно интересует, потому что они хотят решить проблемы, связанные с удалением материала на таких больших участках – другими словами, можем ли мы показать, что мы полностью вымываем пары породы?» – объясняет Хоуд. – Мы считаем, что испытание 100 к 1 также даёт нам уверенность в том, что мы можем выйти и мобилизовать прототип гиротронной буровой установки в полевых условиях для первых полевых демонстраций».

Хотя предстоит много работы, команда рассчитывает, что сможет безопасно бурить и эксплуатировать эти геотермальные скважины. Испытания на лунке 100:1, вероятно, будут завершены где-то в следующем году, а начать испарять горные породы в ходе полевых испытаний исследователи надеются в конце следующего года. 

 «Мы считаем, что благодаря работе Пола в Массачусетском технологическом институте за последнее десятилетие на большинство, если не на все основные вопросы физики были даны ответы», – говорит сооснователь Quaise Energy. – Это действительно инженерные задачи, на которые мы должны ответить, что не означает, что их легко решить, но мы не работаем против законов физики, на которые нет ответа. Это скорее вопрос преодоления некоторых из больше технических и финансовых соображений, чтобы сделать эту работу в больших масштабах».

Компания планирует начать сбор энергии из пилотных геотермальных скважин, температура горных пород которых достигает 500°C, к 2026 году. Оттуда, как можно предположить, и начнётся перепрофилирование угольных и газовых электростанций под новую систему.

«Мы считаем, что, если мы сможем пробурить до 20 километров, мы сможем получить доступ к этим сверхвысоким температурам более чем в 90 процентах мест по всему миру», – заявляет Хоуд.

Работа Quaise с Министерством энергетики направлена на решение наиболее важных и пока нерешённых вопросов, связанных с бурением скважин беспрецедентных глубин и давления. Сюда входит проблематика удаления материала и определения наилучшей обсадной колонны, обеспечивающей устойчивость и открытость скважины. Для решения последней – устойчивости – необходимо специализированное компьютерное моделирование, и завершить его рассчитывают к концу 2024 года.

Пробурив отверстия на существующих электростанциях, технология сможет двигаться быстрее, чем если бы приходилось получать разрешения на строительство новых электростанций и линий электропередач. А благодаря тому, что новое буровое оборудование миллиметрового диапазона совместимо с существующим мировым парком буровых установок, это также позволит по всему миру задействовать глобальную рабочую силу нефтегазовых отраслей.

«При этих высоких температурах мы производим пар, очень близкий – если не превышающий её – к температуре, при которой работают современные угольные и газовые электростанции, – поясняет Мэтт Хоуд. – Итак, мы можем обратиться к существующим электростанциям и сказать: "Мы можем заменить от 95 до 100 процентов используемого вами угля за счёт разработки геотермального поля и производства пара из земли при той же температуре, при которой вы сжигаете уголь для запуска своей турбины, непосредственно заменяя выбросы углерода"».

За последнее десятилетие были достигнуты огромные успехи в области энергодобычи из возобновляемых источников энергии. Однако общая картина сегодня показывает, что мы, хоть и идём в верном направлении, продвигаемся всё же недостаточно быстро. Преобразование мировых энергетических систем в столь короткие сроки – это та самая, критически важная возможность, позволяющая достичь вех, необходимых для ограничения наихудших последствий изменения климата и помочь избежать самых катастрофических сценариев глобального потепления.

Разработчики уверены, что глубинная геотермальная энергия – это тот ресурс, который можно масштабировать где угодно, и он, к тому же «позволяет задействовать большую рабочую силу в энергетической отрасли, чтобы быстро переупаковать свои навыки для получения полностью безуглеродного источника энергии».

АРМК, по материалам MIT.