MIT-ov spin-off Quaise kaže da će koristiti novu tehnologiju fuzije za bušenje najdubljih bušotina u povijesti, otključavajući čistu, gotovo neograničenu, superkritičnu geotermalnu energiju koja može ponovno napajati elektrane diljem svijeta. Svi znaju da je Zemljina jezgra vruća, ali možda njezin razmjer još uvijek ima moć iznenaditi. Temperature u željeznom središtu jezgre procjenjuju se na oko 5.200 °C (9.392 °F), generirane toplinom od raspadanja radioaktivnih elemenata u kombinaciji s toplinom koja još uvijek ostaje od samog nastanka planeta – događaj kataklizmičkog nasilja kada uskovitlani oblak plina i prašine zgnječen je u loptu svojom vlastitom gravitacijom. Gdje postoji pristup toplini, tu je i geotermalna energija koja se može prikupiti. A ispod Zemljine površine ima toliko topline, prema Paulu Woskovu, višem inženjeru istraživanja fuzije na MIT-u, da bi njezino korištenje samo 0,1 posto moglo opskrbiti cjelokupne energetske potrebe svijeta za više od 20 milijuna godina. Problem je pristup. Tamo gdje se podzemni izvori topline prirodno nalaze blizu površine, lako dostupni i dovoljno blizu relevantne električne mreže za ekonomski isplativ prijenos, geotermalna energija postaje rijedak primjer potpuno pouzdane, neprekidne proizvodnje zelene energije. Sunce prestaje sjati, vjetar prestaje puhati, ali podzemne stijene su uvijek vruće. Naravno, ovi uvjeti su prilično rijetki, a kao rezultat toga, geotermalna energija trenutno opskrbljuje samo oko 0,3 posto globalne potrošnje energije.

Najdublje rupe u ljudskoj povijesti nisu dovoljno duboke
Kad bismo mogli bušiti dovoljno duboko, mogli bismo postaviti geotermalne elektrane gdje god želimo. Ali to je teže nego što zvuči. Debljina Zemljine kore varira između 5-75 km (3-47 milja), a najtanji dijelovi imaju tendenciju da budu daleko u dubokom oceanu. Najdublja rupa koju je čovječanstvo ikada uspjelo izbušiti je superdeep bušotina Kola. Ovaj ruski projekt u blizini norveške granice nastao je 1970., s ciljem probijanja kore sve do plašta, a jedna od njegovih bušotina dosegnula je vertikalnu dubinu od 12 289 m (40 318 stopa) 1989., prije nego što je tim odlučio da je neizvediv ići još dublje, i ostao je bez novca. Na toj dubini, članovi tima Kola očekivali su da će temperatura biti negdje oko 100 °C (212 °F), no u stvarnosti su otkrili da je bliže 180 °C (356 °F). Stijena je bila manje gusta i poroznija nego što se očekivalo, a ovi čimbenici u kombinaciji s povišenom toplinom stvorili su teške uvjete za bušenje. Mjesto Kola potpuno je zapušteno, a ovaj "ulaz u pakao", vrhunac (ili možda najniži) ljudskog postignuća, sada je anonimna, zavarena zatvorena rupa. Njemačka je potrošila više od četvrt milijarde eura na vlastitu verziju kasnih 80-ih, ali njemački Continental Deep Drilling Program, ili KTB bušotina , dosegnuo je samo 9.101 metar (29.859 stopa) prije nego što je prekinut. Opet je temperatura porasla daleko više nego što se očekivalo, a ekipa KTB-a je također bila iznenađena kada je otkrila da stijena na ovoj dubini nije čvrsta, te su se velike količine tekućine i plina slijevale u bušotinu što je dodatno zakompliciralo napore bušenja. Te su temperature bile dovoljno vruće da osujeti proces bušenja, ali ne i dovoljno vruće da se od toga napravi dobar posao geotermalne energije. Dakle, iako su ovi i drugi projekti bili neprocjenjivi znanstveni resursi, potrebne su nove tehnologije za otključavanje geotermalnog potencijala pod našim nogama.

Izravno energetsko bušenje: Put naprijed
Tamo gdje uvjeti postanu preteški za rad fizičkih svrdla, istraživači su testirali sposobnost usmjerenih energetskih snopova za zagrijavanje, taljenje, lomljenje, pa čak i isparavanje podzemne stijene u procesu koji se naziva razbijanje, prije nego što je glava bušilice uopće dotakne. Vojni eksperimenti kasnih 90-ih pokazali su obećavajuće rezultate koji pokazuju da bi lasersko bušenje moglo proći kroz stijenu 10-100 puta brže od konvencionalnog bušenja, a možete se kladiti da je to bilo od velikog interesa za naftne i plinske tvrtke. Proces bušenja s izravnom energijom, napisao je predsjednik Impact Technologies Kenneth Oglesby u izvješću MIT-a iz 2014. za Program geotermalnih tehnologija američkog DOE-a , ponudio bi neke velike prednosti:

1) nema mehaničkih sustava u bušotini koji bi se mogli istrošiti ili slomiti,

2) bez ograničenja temperature,

3) jednaka lakoća prodiranja bilo koje tvrdoće stijena i

4) potencijal za zamjenu potrebe za omotačem/cementiranjem izdržljivom vitrificiranom oblogom."

Zanimljiva je ta zadnja točka – bušilica s izravnom energijom učinkovito bi cauterizirala stijenu koju je prorezala, otapajući bušotinu dok ide i vitrifikujući je u staklasti sloj koji bi zatvorio tekućine, plinove i druge onečišćenja koja su uzrokovala probleme u prethodnim projektima ultra-dubokog bušenja. Ali laseri, napisao je Oglesby, ne režu senf. "Najdublja penetracija u stijenu do sada postignuta laserima bila je samo 30 cm (11,8 in). Postoje temeljni fizikalni i tehnološki razlozi za taj nedostatak napretka laserskog bušenja. Prvo, protok čestica izvlačenja stijene nije kompatibilan s energijom kratke valne duljine koja je raspršen i apsorbiran [u oblacima prašine i čestica] prije nego što dođe u kontakt sa željenom površinom stijene. Drugo, laserska tehnologija je manjkava u energiji, učinkovitosti i preskupa je."

Energetske zrake milimetarskih valova
Rješenje bi, čini se, moglo doći iz svijeta nuklearne fuzije. Kako bi ponovili uvjete koji razbijaju atome u srcu Sunca i tako oslobodili najsigurniji i najčišći oblik nuklearne energije, istraživači fuzije moraju generirati zapanjujuće količine topline. Govorimo o rasponu od 150 milijuna stupnjeva, u slučaju projekta ITER. Istraživanje fuzije koristilo je milijarde dolara međunarodnog državnog financiranja, a time je i ubrzan napredak i komercijalizacija u drugim područjima koja inače ne bi imala proračun. Jedan primjer je žirotron, dio opreme koji je izvorno razvijen u Sovjetskoj Rusiji sredinom 1960-ih. Žirotroni stvaraju elektromagnetske valove u milimetarskom dijelu spektra, s valnim duljinama kraćim od mikrovalova, ali dužim od vidljive ili infracrvene svjetlosti. Početkom 1970-ih, istraživači koji su radili na dizajnu tokamaka za fuzijske reaktore otkrili su da su ovi milimetarski valovi izvrstan način za značajno zagrijavanje plazme, a tijekom posljednjih 50 godina razvoj žirotrona postigao je impresivan napredak zahvaljujući istraživanju fuzije i financiranju DOE. Doista, sada postaju dostupni žirotroni koji mogu generirati kontinuirane energetske snopove snage veće od megavata, a to je nevjerojatna vijest za duboke bušilice. "Znanstvena osnova, tehnička izvedivost i ekonomski potencijal bušenja stijena usmjerene energije milimetarskog valova na frekvencijama od 30 do 300 GHz su jaki", napisao je Ogilvy. "Izbjegava Rayleighovo raspršivanje i može spojiti/prenijeti energiju na površinu stijene 10 12 X učinkovitije nego laserski izvori u prisutnosti male perjanice za ekstrakciju čestica. Kontinuirana snaga megavata milimetarski valovi također se mogu učinkovito (>90 posto) usmjeriti na velike udaljenosti (>10 km) koristeći različite načine rada i valovodne (cijevne) sustave, uključujući mogućnost korištenja namotanih i spojenih/spojenih cijevi s glatkim provrtom." "Termodinamički izračuni", nastavio je, "sugeriraju da je brzina prodiranja od 70 metara/sat (230 ft/sat) moguća u bušotinama od 5 cm (1,97 in) s 1-MW žirotronom koji se spaja sa stijenom sa 100 postotnom učinkovitošću. Korištenje izvora manje ili veće snage (npr. 100 kW do 2 MW) omogućilo bi promjene u veličini bušotine i/ili stopi prodiranja." To bi bio veliki poticaj tradicionalnim projektima bušenja nafte i plina – ali, izuzimajući previše daljnjih iznenađenja, također bi trebalo značajno promijeniti jednadžbu za ultra-duboko bušenje, što bi omogućilo i isplatilo ući dovoljno duboko u koru za otključavanje nekih ogromnog geotermalnog energetskog potencijala Zemlje.

Quaise: Komercijalizacija ultra-duboke, superkritične geotermalne energije
Godine 2018., MIT-ov Plasma Science and Fusion Center pokrenuo je posao pod nazivom Quaise, posebno fokusiran na ultra-duboku geotermalnu energiju koristeći hibridne sustave koji kombiniraju tradicionalno rotacijsko bušenje s tehnologijom milimetarskih valova na žirotron, dok pumpa argon kao plin za čišćenje za čišćenje. i ohladi bušotinu dok ispaljuje čestice stijene natrag na površinu i s puta. Tvrtka je do danas prikupila oko 63 milijuna američkih dolara, što uključuje 18 milijuna dolara početnog financiranja, 5 milijuna dolara bespovratnih sredstava i 40 milijuna dolara u krugu financiranja serije A koji je zatvoren ranije ovog mjeseca. Quaise planira bušiti rupe do 20 km (12,4 milje) duboke, znatno dublje od bušotine Kola Superdeep - ali gdje je timu Kola trebalo gotovo 20 godina da dosegne svoj limit, Quaise očekuje da će njegov proces poboljšan žirotronom potrajati samo 100 dana. I to pod pretpostavkom da je žirotron od 1 MW. Na tim dubinama Quaise očekuje da će pronaći temperature oko 500 °C (932 °F), što je daleko iznad točke u kojoj geotermalna energija ostvaruje ogroman skok u učinkovitosti. "Voda je superkritična tekućina pri tlakovima iznad 22 MPa i temperaturama višim od 374 °C (705 °F)", rekao je Quaise. "Elektrana koja koristi superkritičnu vodu kao radnu tekućinu može izvući do 10 puta više korisne energije iz svake kapi u usporedbi s nesuperkritičnim postrojenjima. Ciljanje na superkritične uvjete ključno je za postizanje gustoće snage u skladu s fosilnim gorivima." Quaise radi na potpunim demonstracionim strojevima koji se mogu postaviti na teren, za koje kaže da će početi s radom 2024. Planira svoj prvi "super vrući poboljšani geotermalni sustav" procijenjen na 100 megavata u radu do 2026. godine. Sljedeći korak je komercijalizacija: Quaise planira iskoristiti postojeću infrastrukturu kao što su elektrane na ugljen, koje će na kraju biti ukinute kako ograničenja emisija budu sve stroža. Ovi objekti već imaju goleme kapacitete za pretvaranje pare u električnu energiju, kao i etablirane komercijalne operatere i iskusnu radnu snagu, a dolaze prikladno unaprijed spojeni na električnu mrežu. Quaise će jednostavno zamijeniti svoje trenutne izvore topline iz fosilnih goriva s dovoljno superkritične geotermalne energije da se turbine vrte neograničeno bez potrebe za još jednom grudom ugljena ili metanom. Quaise očekuje da će 2028. ponovno pokrenuti svoju prvu elektranu na fosilne plinove, a zatim nastaviti s usavršavanjem i repliciranjem procesa u cijelom svijetu, budući da bi toplina trebala biti dostupna apsolutno bilo gdje na Zemlji s ovom tehnologijom bušenja. U svijetu postoji više od 8.500 elektrana na ugljen, ukupne snage preko 2.000 gigavata, i svi će morati pronaći nešto drugo za raditi do 2050. godine, tako da je prilika očito ogromna. "U nadolazećim desetljećima trebamo ogromnu količinu energije bez ugljika", rekao je Mark Cupta, izvršni direktor tvrtke Prelude Ventures, jednog od ključnih ulagača Serije A u tvrtku. "Quaise Energy nudi jedno od resursno najučinkovitijih i gotovo beskonačno skalabilnih rješenja za napajanje našeg planeta. To je savršena nadopuna našim trenutnim obnovljivim rješenjima, omogućujući nam da dosegnemo održivu snagu osnovnog opterećenja u ne tako dalekoj budućnosti." Ne trebamo govoriti čitateljima koliki bi to mogao biti pomak za osnovnu čistu energiju i proces dekarbonizacije. Doista, ako ova tehnologija funkcionira kako se očekivalo, a ekonomija se nagomila, ova nova upotreba žirotrona mogla bi dovesti do toga da fuzijski reaktori ostanu bez posla. Ono što je važno, neće zauzimati gotovo nikakav prostor na površini, za razliku od Sunca i vjetra u industrijskim razmjerima. To će također ubrzati globalni geopolitički pomak, budući da će svaka zemlja imati jednak pristup svom praktički neiscrpnom izvoru energije, a sigurno će biti lijepo kada velike zemlje ne moraju "oslobađati" stanovništvo manjih da bi dobile pristup na energetske resurse.
newatlas.com

 

 

Radikalni plan bušenja najdublje rupe na Zemlji oslobađa neograničenu energiju

Priključenjem žirotrona megavatne snage na najnovije alate za rezanje, tvrtka Quaise namjerava prodrijeti do 20 kilometara dubine kako bi došla do geotermalnih izvora i proizvodila struju. Energetska tvrtka Quaise privukla je 2020. pozornost svojim odvažnim ciljem da zaroni u Zemljinu koru dublje no itko prije njih. Ovaj je MIT-ov spin-off dosad je prikupio 63 milijuna američkih dolara kako bi realizirao svoju ideju: geotermalnu energiju učiniti dostupnom većem broju stanovnika diljem svijeta. Da im to uspjelo, oni planiraju kombinirati konvencionalne metode bušenja sa žirotronom megavatne snage.

Ogroman spremnik topline
Geotermalna energija zapostavljeni je obnovljivi izvor, a Quaise želi iskoristiti ovaj ogroman spremnik topline duboko ispod naših nogu. Problem je što treba bušiti jako duboko, dublje od dosad postignutog maksimuma koji iznosi 12,3 kilometara. Da bi se sišlo još dublje, valja osmisliti kako izmrviti materijal stisnut desecima kilometara nadzemne stijene i a zatim ga iznijeti na površinu. Alati za kopanje morali bi moći mljeti kamenje na temperaturama većim od 180 Celzijevih stupnjeva, a trebalo bi riješiti i probleme s okretanjem svrdla na tako velikim udaljenostima. Potencijalna alternativa je manje bušenja i više sagorijevanja. Quaise se dosjetio milimetarskih dugih valova elektromagnetskog zračenja koji atome tjeraju na taljenje. Uređaji koji se nazivaju žirotroni mogu učinkovito izbacivati kontinuirane snopove elektromagnetskog zračenja potresanjem elektrona velikom brzinom unutar snažnih magnetskih polja. Priključujući žirotron megavatne snage na najnovije alate za rezanje, Quaise očekuje da će moći probiti svoj put kroz najtvrđe, najtoplije stijene, do dubine od oko 20 kilometara za nekoliko mjeseci. Na tim dubinama, toplina okolne stijene može doseći temperaturu 500 Celzijevih stupnjeva, dovoljno da se bilo koja tekuća voda pretvori u pregrijanu paru, savršeno za proizvodnju električne energije.

Četiri godine do cilja
Quaise bi s bušenjem mogao započeti u sljedeće dvije godine; pokaže li se njihov koncept ostvarivim, sustav za proizvodnju energije mogao bi proraditi do 2026. godine. Uspiju li, spremni su preuzeti stare elektrane na ugljen i pretvoriti ih u objekte koji rade na paru dobivenu iz geotermalnih izvora. Stručnjaci su izračunali da bi, čak i bez ove tehnologije, otprilike 8,3 posto svjetske energije moglo doći iz geotermalnih izvora i da bi se njima moglo opskrbiti oko 17 posto svjetske populacije. Gotovo 40 zemalja moglo bi se odmah potpuno osloniti na geotermalnu energiju, izračunalo je Svjetsko energetsko vijeće. No, trenutno toplina ispod naših nogu osigurava manje od pola posto svjetske električne energije. Žele li ljudi ostati pri zacrtanom cilju, neto nultoj emisije do 2050., upotreba geotermalne energije trebala bi rasti 13 posto svake godine, i bez projekta koji planira Quaise.
www.bug.hr