Стоковые изображения от Depositphotos
Tazabek — Журнал Массачусетского технологического института MIT Technology Review опубликовал материал о стартапе геотермальной энергетики.
В конце января стартап геотермальной энергетики начал проводить эксперимент глубоко под дном пустыни северной Невады. Он закачивал воду на тысячи футов под землю, а затем удерживал ее там, наблюдая за тем, что произойдет.
Геотермальные электростанции работают за счет циркуляции воды через горячие породы глубоко под поверхностью. На большинстве современных заводов он выходит на поверхность в устье скважины, где он достаточно горячий, чтобы преобразовать хладагенты или другие жидкости в пар, который приводит в действие турбину, вырабатывающую электроэнергию.
Но хьюстонская компания Fervo Energy тестирует новую версию стандартного подхода, и в тот день ее инженеры и руководители были просто заинтересованы в получении данных.
Показания манометров, установленных в двойных скважинах компании, показали, что давление быстро начало расти, поскольку вода, которой больше некуда было деваться, фактически изогнула саму породу. Когда они, наконец, открыли клапан, поток воды резко увеличился, и она продолжала выкачиваться на более высоком уровне в течение нескольких часов.
Результаты первоначальных экспериментов, о которых сообщает MIT Technology Review, предполагают, что Fervo может создавать гибкие геотермальные электростанции, способные увеличивать или уменьшать выработку электроэнергии по мере необходимости. Что еще более важно, система может накапливать энергию в течение нескольких часов или даже дней и возвращать ее обратно в течение аналогичного периода времени, фактически действуя как гигантская и очень долговечная батарея. Это означает, что станции могут останавливать производство, когда запускаются солнечные и ветряные электростанции, и обеспечивать богатый поток чистой электроэнергии, когда эти источники перестают работать.
Остаются вопросы о том, насколько хорошо, доступно и безопасно это будет работать в больших масштабах. Но если Fervo сможет построить коммерческие станции с этой дополнительной функциональностью, это заполнит критический пробел в современных сетях, удешевляя и упрощая устранение выбросов парниковых газов из систем электроснабжения.
«Мы знаем, что просто производство и продажа традиционной геотермальной энергии невероятно ценны для сети», — говорит Тим Латимер, исполнительный директор и соучредитель Fervo. «Но с течением времени наша способность реагировать, наращивать и снижать производительность и накапливать энергию будет еще больше цениться».
«Геотермальная магистраль»
В начале февраля Латимер отвез меня и коллегу по Fervo из аэропорта Рено на территорию компании.
«Добро пожаловать на Геотермальное шоссе», — сказал он из-за руля пикапа компании, когда мы проехали первую из нескольких геотермальных электростанций на межштатной автомагистрали 80.
Шоссе проходит через плоскую пустыню посреди бассейна и хребта Невады, серии параллельных долин и горных хребтов, образованных разделением тектонических плит.
Кора растягивалась, истончалась и разбивалась на блоки, которые наклонялись, образуя горы на высокой стороне, заполняя и сглаживая бассейны отложениями и водой, как незабываемо описал это Джон Макфи в своей книге 1981 года «Бассейн и хребет » . С геотермальной точки зрения важно то, что все эти растяжения и наклоны приближали горячие камни к поверхности.
В геотермальной энергии есть за что любить: она предлагает практически безграничный, всегда включенный источник тепла и электричества без вредных выбросов. Если бы США могли получить всего 2% тепловой энергии, доступной на расстоянии от двух до шести миль под их поверхностью, они могли бы производить более чем в 2000 раз больше общего годового потребления энергии в стране.
Но из-за геологических ограничений, высоких капитальных затрат и других проблем мы его практически не используем: сегодня на его долю приходится 0,4% выработки электроэнергии в США.
На сегодняшний день разработчикам геотермальных электростанций в основном удалось использовать только самые перспективные и экономичные места, такие как этот участок Невады. Им нужно было бурить пористую, проницаемую, горячую породу на относительно небольшой глубине. Проницаемость породы необходима для того, чтобы вода могла перемещаться между двумя скважинами, пробуренными человеком в такой системе, но это также свойство, которое часто отсутствует в других благоприятных районах.
Начиная с начала 1970-х годов исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории начали демонстрировать, что мы можем найти способ обойти это ограничение. Они обнаружили, что, используя методы гидравлического разрыва пласта, подобные тем, которые сейчас используются в нефтяной и газовой промышленности, они могут создавать или расширять трещины в относительно твердой и очень горячей породе. Затем они могли бы добавить воду, по сути, инженерные радиаторы глубоко под землей.
Такая «улучшенная» геотермальная система в основном работает так же, как и любая другая, но открывает возможность строительства электростанций в местах, где порода еще недостаточно проницаема, чтобы горячая вода могла свободно циркулировать. Исследователи в этой области на протяжении десятилетий утверждали, что если мы снизим стоимость таких методов, это откроет огромные новые участки планеты для геотермальной разработки.
Известное исследование Массачусетского технологического института , проведенное в 2006 году, показало, что при инвестициях в 1 миллиард долларов в течение 15 лет усовершенствованные геотермальные электростанции могут производить 100 гигаватт новой мощности в сети к 2050 году, что ставит их в один ряд с более популярными возобновляемыми источниками. (Для сравнения, в США установлено около 135 гигаватт солнечной энергии и 140 гигаватт ветровой.)
«Если мы сможем понять, как извлекать тепло из земли в местах, где еще нет естественной циркулирующей геотермальной системы, тогда у нас будет доступ к действительно огромному ресурсу», — говорит Сьюзен Петти, автор этого отчета и основатель Сиэтла. основала AltaRock Energy, ранний стартап в области геотермальной энергии.
США не сделали таких полных инвестиций за период времени, указанный в отчете. Но в последние годы усовершенствованная геотермальная энергия становится все более приоритетной .
Первые крупные усилия на федеральном уровне начались примерно в 2015 году , когда Министерство энергетики объявило о планах создания лаборатории Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy. Бурение на выбранном участке FORGE в Юте , недалеко от Милфорда, наконец началось в 2016 году. На сегодняшний день исследовательская лаборатория получила около 220 миллионов долларов из федерального бюджета. Совсем недавно Министерство энергетики объявило о планах инвестировать в эту область еще десятки миллионов долларов в рамках своей инициативы Enhanced Geothermal Shot .
Но сегодня в США на коммерческой основе работает лишь несколько усовершенствованных геотермальных систем.
Ставка Ферво
Латимер прочитал этот документ Массачусетского технологического института, когда работал в Техасе инженером по бурению в BHP, компании по добыче металлов, нефти и газа, в тот момент, когда его все больше беспокоило изменение климата. На основании своей собственной работы он убедился, что отрасль добычи природного газа уже решила некоторые технические и экономические проблемы, отмеченные в отчете.
В конце концов Латимер уволился с работы и поступил в Стэнфордскую школу бизнеса с целью создания геотермального стартапа. Вскоре он познакомился с Джеком Норбеком, который заканчивал там докторскую диссертацию. Он включал главу, посвященную прикладному моделированию находок в Лос-Аламосе.
Пара стала соучредителем Fervo в 2017 году. С тех пор компания привлекла почти 180 миллионов долларов венчурного капитала от Breakthrough Energy Ventures Билла Гейтса , DCVC , Capricorn Investment Group и других. Также было объявлено о нескольких коммерческих соглашениях о закупке электроэнергии для будущих усовершенствованных геотермальных проектов, включая пятимегаваттную электростанцию в Неваде, которая поможет обеспечить работу Google в штате.
В соответствии с этими соглашениями Fervo заключает контракт на обеспечение стабильного потока безуглеродной электроэнергии, а не на гибкие функции, которые она исследует. Но практически с самого начала коммунальные службы и другие потенциальные клиенты сказали компании, что им необходимо выстроить чистые источники, которые могли бы увеличивать и уменьшать генерацию, чтобы соответствовать все более строгим климатическим нормам и сбалансировать растущую долю переменной мощности ветра и солнца на сетки.
«Если мы сможем придумать способ решить эту проблему, — говорит Норбек, и Латимер понял, — у нас действительно может быть способ изменить мир».
Ферво начал исследовать, смогут ли они сделать это, воспользовавшись еще одной особенностью усовершенствованных геотермальных систем, которую исследователи из Лос-Аламоса также подчеркнули в более поздних экспериментах.
Создание трещин в горных породах с низкой проницаемостью означает, что вода в системе не может легко просачиваться в другие области. Следовательно, если вы закроете систему скважин и продолжите закачивать воду, вы можете создать механическое давление в системе, поскольку участки трещиноватой породы упираются в землю.
«Переломы способны расширяться и менять форму, почти как воздушные шары», — говорит Норбек.
Затем это давление можно использовать. В серии экспериментов по моделированию Ферво обнаружил, что как только клапан снова открывается, эти воздушные шары эффективно сдуваются, поток воды увеличивается, а выработка электроэнергии резко возрастает. Если бы они «заряжали» его в течение нескольких дней, добавляя воду, но не выпуская ее, он мог бы генерировать электричество в течение нескольких дней.
Но компании все еще нужно было проверить, сможет ли она работать в реальном мире.
Тесты
После пересечения границы в округе Гумбольдт, штат Невада, Латимер в конце концов свернул на грунтовую дорогу. Участок Fervo объявил о себе белой буровой установкой вдалеке, парящей в 150 футах над участком коричневой пустыни. Геология под этим конкретным участком земли включает горячие камни на небольшой глубине, но не обладает проницаемостью, необходимой для традиционных растений.
В 2022 году компания пробурила там двойные скважины, используя почти 10-дюймовое буровое долото с фиксированным резцом, чтобы медленно пройти через смешанные метаосадочные и гранитные образования. Колодцы постепенно изгибаются под землей, в конечном итоге погружаясь примерно на 8000 футов в глубину и проходя около 4000 футов по горизонтали.
Затем Ферво закачивал холодную воду под высоким давлением, чтобы создать сотни вертикальных трещин между ними, эффективно сформировав гигантский подземный радиатор среди горных пород, температура которого достигает почти 380 ˚F (193 ˚C).
Тим Латимер (справа), генеральный директор Fervo, и Эрик Эдди (слева), инженер по бурению, на площадке в северной Неваде. ФЕРВО ЭНЕРДЖИ
Около 8 часов утра 28 января компания перекрыла вентиль так называемой эксплуатационной скважины, где вода обычно выходит на поверхность, начав первые испытания того, что она называет Fervo Flex. Давление подскочило до нескольких сотен фунтов на квадратный дюйм и продолжало постепенно расти в течение следующих 10 часов или около того.
Норбек стоял рядом с этим колодцем, когда его снова открыли около 7 часов вечера. Его взгляд остановился на пузырьковом манометре большой желтой водосливной коробки — простом, проверенном временем инструменте для измерения скорости потока. Горячая вода произвела вспышку пара, попав на открытый воздух, и показания достигли пика.
Сотрудники Fervo продолжали испытания в течение нескольких дней, останавливая скважину на 8-10 часов и открывая ее снова на 14 или более часов, работая так, как если бы они работали в сети с большим количеством солнечной энергии в дневное время. Утром в день нашего визита компания несколько дней пыталась эксплуатировать систему без дополнительной закачки воды, чтобы понять, как долго она может работать в качестве накопителя энергии.
Fervo может быть первой компанией, которая испытала в полевых условиях этот способ сочетания хранения и гибкости на участке с расширенными геотермальными источниками. Подразделение ARPA-E Министерства энергетики США выделило 4,5 миллиона долларов на финансирование экспериментов.
Внутри трейлера безопасности Латимер открыл ноутбук и начал просматривать презентацию. Набор графиков отображал серию плавных кривых и пиков по мере роста давления и роста добычи в каждом из испытаний. Затем он перешел на страницу с более ранними результатами моделей, которые более или менее отражали результаты.
«Это работает, это кульминация», — сказал Латимер. «То, что мы смоделировали, именно то, что произошло».
Значение в сетке
Основная проблема в создании безуглеродного энергетического сектора заключается в том, что количество электроэнергии, вырабатываемой ветряными и солнечными электростанциями, резко колеблется в течение дня и года.
Это создаст все более серьезные проблемы, поскольку возобновляемые источники энергии будут доминировать в электрических сетях. Исследования показывают , что общие системные затраты начинают резко расти, когда возобновляемые источники энергии превышают примерно 80% выработки — если только не появятся крупные источники безуглеродной электроэнергии, которые могут работать по запросу, более дешевые формы долговременного хранения энергии или другие технические решения.
Это связано с тем, что могут быть длительные периоды в году, когда солнце, ветер и другие изменчивые источники не обеспечивают достаточного количества энергии, чтобы все работало днем или ночью. Региональные сети, почти полностью полагающиеся на эти ресурсы, часто должны были бы добавлять огромные банки дорогих и относительно недолговечных батарей, а также больше заводов по возобновляемым источникам энергии для их зарядки, просто чтобы свет оставался включенным на этих участках.
Геотермальная электростанция, которая может набирать и отключать электроэнергию и восполнять истощающиеся возобновляемые источники энергии в течение нескольких часов или дней, обещает решить эти проблемы, предоставляя очень ценный ресурс для сетей, которые становятся все более зелеными.
«Технологические инновации, которые мы демонстрируем… легко позволили бы геотермальной энергии заполнить эту 20-процентную роль», — говорит Латимер.
В прошлом году исследователи из Принстона, работающие с Fervo, провели серию симуляций безуглеродных электрических сетей на западе США в 2045 году, изучая, какие наборы технологий будут наиболее привлекательными для самых дешевых версий таких систем.
Добавление гибких функций Fervo сделало геотермальную энергию гораздо более привлекательной. Сегодня в США всего около четырех гигаватт геотермальной энергии. Но для будущих сценариев модель добавила от 25 до 74 гигаватт гибкой геотермальной мощности к своим безуглеродным сетям по сравнению только с 28 гигаваттами, когда геотермальные электростанции не могли работать таким образом. Дополнительные возможности этих объектов также снизили общие затраты на энергосистему на целых 10%.
«Если мы сможем заставить это работать… это может стать очень важным делом», — говорит Уилсон Рикс, исследователь энергетических систем из Принстона и ведущий автор рабочего документа.
Эти функции также должны повысить экономическую ценность и прибыль самих геотермальных электростанций, потенциально облегчив их финансирование.
Другие компании давно придумали, как снизить мощность геотермальных электростанций. Но часто это не имеет большого финансового смысла — вы просто закроете завод, а вам не заплатят.
Однако в случае с Fervo эти мощности могут снижаться в периоды, когда избыток солнечной или ветровой энергии снижает оптовую цену на электроэнергию, и работать больше, чем обычно, когда эти источники сокращаются, а цены растут, говорит Латимер.
Открытые вопросы
Однако Fervo по-прежнему сталкивается с некоторыми реальными проблемами.
Хотя все это прекрасно выглядит в моделях, а теперь и в полевых испытаниях, для того, чтобы цифры работали для коммерческих электростанций, могут потребоваться значительные изменения в правилах рынка электроэнергии и соглашениях о покупке электроэнергии.
За последними событиями следите в Телеграм-канале @tazabek_official
По сообщению сайта Tazabek