Перспектива получения практически неограниченной чистой геотермальной энергии теперь стала значительно ближе. Лаборатория экспериментальной механики горных пород (LEMR) из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) показала, что полупластичную, липкую породу на сверхкритических глубинах все ещё можно разрушить, чтобы она смогла пропускать воду.
Наряду с ядерной энергией в форме деления или синтеза и ещё одним-двумя передовыми источниками, геотермальная энергия имеет реальную перспективу сделать концепцию всеобщего дефицита энергии такой же устаревшей, как беспокойство о саблезубых тиграх. Используя огромное тепло земных недр, теоретически можно добыть достаточно чистой энергии, чтобы удовлетворить все энергетические потребности человечества на миллионы лет вперёд, решив главную проблему изменения климата более или менее за одну ночь.
Проблема в том, что вся эта чудесная энергия заперта на много миль под земной корой, а затраты на её добычу астрономические. В результате сегодня геотермальная энергия является нишевым источником, доступным только в нескольких разбросанных по планете вулканических регионах, где тепло находится гораздо ближе к поверхности — как правило, они находятся далеко от тех мест, где энергия необходима.
Но практически повсюду на планете есть гораздо более мощные сверхкритические геотермальные ресурсы, которые ждут своего часа, если только вы сможете пробурить достаточно глубокие скважины, чтобы добраться до действительно горячих пород, находящихся глубоко под поверхностью. Речь идёт лишь о долях толщины земной коры, и при этом там уже достаточно жарко, чтобы нагреть воду до температуры свыше 400 °C.
При таких температурах вода переходит в «сверхкритическую» фазу и начинает вести себя как нечто среднее между жидкостью и газом: она течёт очень легко, как газ, но сохраняет плотность жидкости. Эту фазу можно использовать для извлечения большого количества энергии. С практической точки зрения, если вам удастся довести воду до сверхкритической температуры, она сможет обеспечить работу геотермальной электростанции с мощностью в 10 раз большей, чем у обычной, использующей воду более низкой температуры.
Плохая новость заключается в том, что бурение на такие глубины — иногда превышающие рекордные 12 км у Кольской скважины — в настоящее время находится за гранью инженерной мысли, хотя есть несколько очень перспективных проектов, которые могут решить эту проблему в относительно короткие сроки.
Хорошая новость заключается в том, что если мы освоим бурение на такой глубине, то сможем создавать геотермальные станции практически в любой точке планеты — например, на заброшенных площадках закрытых угольных электростанций. Там уже есть электросети и множество паротурбинного оборудования, почему бы не превратить климатические мечи в орала?
Есть много проблем, которые ещё предстоит решить, одна из них заключается в том, что геотермальная технология требует максимального контакта между поверхностями горных пород и нагреваемой жидкостью, а один из лучших способов значительно увеличить площадь контакта — раздробить породу в процессе, удивительно похожем на тот, который используется при гидроразрыве пласта в нефтегазовой отрасли. Компания Fervo Energy наглядно продемонстрировала, насколько сильно этот подход может изменить геотермальную станцию.
Но поскольку никто ещё не бурил так далеко, наука не может сказать, может ли порода там растрескаться и пропускать воду. Наблюдения, проведённые вблизи отметки 10 км, показали, что горная порода начинает вести себя совсем не так, как вблизи поверхности.
Вместо того чтобы быть твёрдой и хрупкой, она становится мягкой, пластичной и липкой — это говорит о том, что при сверхкритических температурах невозможно расколоть породу и пропустить через неё воду.
По крайней мере, такой картина представлялась нам до тех пор, пока группа специалистов EPFL под руководством Габриэля Мейера не провела лабораторные испытания с использованием нового газового трехосного аппарата, синхротронных 3D-снимков высокого разрешения и конечно-элементного моделирования.
«Когда вы приближаетесь к 10-километровой отметке, порода уже не трескается, а равномерно деформируется, как мягкая карамель, и её поведение становится сложным», — говорит Мейер. «Деформация происходит на уровне кристаллических структур в зёрнах. Я хотел выяснить, может ли вода циркулировать внутри породы, перешедшей в эту необычную вязкую форму».
Мейер и его команда воспроизвели давление и условия, существующие в земной коре, и наблюдали за тем, как она изменяется во время так называемого перехода от хрупкости к пластичности. Такие лабораторные испытания особенно важны, поскольку в реальном мире провести подобные наблюдения практически невозможно. Вместо этого на испытательном стенде были воссозданы условия температуры и давления в образце породы, который был просканирован синхротроном для создания 3D-изображений, которые были введены в компьютерную симуляцию.
Они обнаружили, что горная порода ведёт себя менее похоже на шпатлёвку, и больше похоже на игрушку Silly Putty. Если взять такую в руки, то можно легко придать ей любую форму, а если положить её на пол, то она будет очень медленно растекаться, как жидкость. Но самое интересное заключается в том, что вы можете взять эту мягкую, текучую шпаклёвку и ударить по ней молотком — и она разлетится вдребезги, как стекло.
Согласно новому исследованию EPFL, порода, покрывающая сверхкритическую зону, ведёт себя аналогичным образом. Хотя она вязкая, её можно раздробить так, чтобы через неё текла вода. Это означает, что при использовании сложной технологии глубокого гидроразрыва можно построить очень серьёзные геотермальные станции.
«Геологи долгое время считали, что точка перехода от хрупкости к пластичности — это нижняя граница для циркуляции воды в земной коре», — говорит Мейер. «Но мы показали, что вода может циркулировать и в вязких породах. Это очень перспективное открытие, которое открывает дальнейшие пути для исследований в нашей области».
Работа особенно актуальна для таких компаний, как Quaise Energy — стартапа с Восточного побережья, работающего над демонстрацией того, что рекордно глубокие геотермальные скважины могут быть пройдены с помощью технологии ускорителей частиц, разработанной для термоядерной энергетики, вместо буровых долот, которые просто не выдерживают такой глубины при повышении температуры.
Такие компании, как Fervo и Sage Geosystems, доказали, что метод гидроразрыва пласта в геотермальной энергетике позволяет извлекать гораздо больше энергии, чем традиционные методы. Это исследование доказывает, что подобная концепция может быть использована и для сверхглубоких сверхкритических геотермальных проектов.
Как уже говорилось, если эти компании добьются успеха и сумеют вывести на рынок подобную электростанцию в широких масштабах, текущие потребности человечества в энергии просто перестанут быть проблемой. Чистая, не нагружающая сети, круглосуточная, практически безграничная… В теории есть много поводов для оптимизма, и хотя многие беспрецедентные проблемы ещё предстоит решить, мы надеемся, что в скором времени мы сможем сообщить о новых достижениях.
