Новые методы бурения и прогрессивные технологии извлечения тепла из недр Земли обещают быстро сделать геотермальную энергетику конкурентоспособным игроком на рынке выработки электричества, уверены учёные из США. Это произойдёт стремительно — всего за пару лет. Прогнозы говорят, что уже в 2027 году стоимость генерации электричества с помощью тепла недр планеты сравняется со стоимостью сегодняшнего электричества «из розетки».

Геотермальная электростанция Google. Источник изображения: Google

Доклад о перспективах геотермальной энергетики (EGS) представил ведущий специалист в отрасли Роланд Хорн (Roland Horne), профессор энергетики и инженерии Стэнфордского университета (Stanford University). Он начал с того, что исторически доступ к геотермальной энергии был связан исключительно с географическими факторами. Для обычных геотермальных электростанций требуются горячие, проницаемые породы и большое количество подземных жидкостей, что характерно для мест с недавней вулканической активностью, таких как Япония, Новая Зеландия, Филиппины, Кения, Сальвадор, Исландия и западная часть Соединённых Штатов.

Но это было в прошлом. За последние 50 лет придуманные нефтяниками методы бурения и разрыва пластов открыли возможность доступа к теплу недр на большей части планеты, а не только рядом с вулканами. Пока новыми технологиями воспользовались лишь единичные компании, но в них скрыт огромный потенциал для производства электрической энергии в больших масштабах. Сегодня в глобальном масштабе доля геотермальной энергетики по-прежнему составляет менее половины процента. Доля солнечной и ветряной энергии более чем в 25 раз выше, что можно исправить в обозримые сроки.

Для доступа к подземному теплу следует использовать методы бурения, разработанные для добычи сланцевого газа, включая горизонтальное бурение и гидроразрыв пластов. Закачивая в скважины жидкость под большим давлением, нефтяники расширяют существующие в породе трещины и создают новые, за счёт чего происходит приток нефти и других жидкостей к поверхности. В геотермальных системах с улучшенными характеристиками жидкость представляет собой просто горячую воду из естественных подземных резервуаров.

Другие адаптированные методы включают бурение нескольких скважин с одной площадки для повышения эффективности и снижения затрат. Синтетические алмазные буровые коронки, которые могут эффективно проходить через твёрдые породы, также оказались критически важными, позволяя завершить строительство новой геотермальной скважины за несколько недель, а не месяцев. «Ускорение бурения оказывает огромное влияние на экономику EGS в целом», — пояснил учёный.

Согласно проведённым расчётам, более высокая скорость бурения может уже к 2027 году сделать геотермальные системы конкурентоспособными по отношению к системам «наземной» выработки электричества на большей части территории США, что сегодня примерно равно $80 за МВт·ч.

В Калифорнии, которая в настоящее время получает около 5 % электроэнергии из геотермальных источников, авторы подсчитали, что с помощью EGS геотермальная мощность может увеличиться в десять раз и к 2045 году достичь 40 ГВт, что позволит заменить ископаемое топливо в качестве базовой генерации. Таким образом, EGS дополнит нестабильные возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, и повысит стабильность безуглеродной энергосистемы.

Но есть один момент, который обязательно нужно учитывать. Как и при гидроразрыве пластов для добычи нефти и газа, дробление глубинных пород для доступа к геотермальным резервуарам может вызвать землетрясения. Для снижения риска катастроф профессор рекомендует не бурить там, где риск землетрясений высокий и где проходят разломы земной коры. Также следует бурить с осторожностью и прекращать работы каждый раз, как только сейсмические события превысят определённый уровень. Если тряска будет не сильной, работы можно не останавливать.

Ещё одним способом избежать землетрясений в местах бурения может быть мягкое нагнетание воды для гидроразрыва — не под высоким давлением, а намного более слабым. «Постепенное закачивание жидкости вместо использования напора под давлением может значительно снизить риск и масштабы индуцированной сейсмической активности», — сказал Хорн.

Учёный и его коллеги надеются, что новое исследование послужит стимулом для дальнейших исследований и разработок EGS как устойчивого и надёжного источника энергии. «EGS может изменить правила игры в производстве экологически чистой энергии не только в Калифорнии, но и по всей территории США и во всём мире, — сказал Хорн. — Безопасное использование внутреннего тепла Земли может существенно повлиять на энергетику нашего будущего».

Как показывает практика, геотермальную энергию можно черпать лишь до определённой глубины и только в отдельных местах. Влезть поглубже в недра Земли мешают физика и особенности геологии. Недра становятся пластичными и текут, что исключает нормальную циркуляцию воды как носителя энергии. Учёные из Швейцарии сделали открытие, которое даёт надежду на неограниченный доступ к геотермальным источникам на запредельных глубинах.

Источник изображения: Quaise Energy

В нефтегазовой отрасли давно используется такой способ интенсификации добычи, как гидроразрыв. Но гидроразрыв работает только в том случае, если порода остаётся способной разрушаться, образуя трещины. Если порода ведёт себя как пластилин, что происходит по мере углубления, то гидроразрыв становится невозможен. Это означает, что закачать туда воду и нагреть её до температуры теплоносителя будет нельзя.

Между тем недра могут предоставить необходимое для работы геотермальной электростанции тепло практически везде, но только если решить проблему с прокачкой воды на целевой глубине. Современные геотермальные электростанции построены там, где тепло поднимается достаточно близко к поверхности или даже выходит наружу. Это районы с вулканической активностью. Проблема же получения условно бесконечной чистой энергии должна решаться в любом уголке планеты, например, на месте старой угольной электростанции со всей её электрической инфраструктурой, но сегодня это невозможно.

Источник изображения: EPFL

Группа учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) провела условно натурные эксперименты, изучая, как ведёт себя горная порода на различных глубинах и насколько глубоко возможен гидроразрыв. Исследователи не бурили сверхглубокие скважины, что само по себе стало бы научным подвигом. Они воссоздали в лаборатории условия недр на разных глубинах, устанавливая в камере с образцом соответствующее давление и температуру. После воздействия на образцы экстремальными условиями учёные с помощью приборов изучали их внутреннюю структуру.

Осмотр образцов с помощью рентгеновской томографии

Как оказалось, горные породы даже на больших глубинах сохраняют способность растрескиваться. Они остаются достаточно хрупкими для применения технологии гидроразрыва до более высоких температур, чем требуется для глубинной геотермальной энергетики. Для решения энергетических проблем человечества необходимо нагревать воду до 400 °C, когда жидкость начинает вести себя как газ, оставаясь текучей. В лабораторных экспериментах учёные доказали, что теплоноситель можно будет закачивать до глубин с температурами вдвое выше. Другое дело, что соответствующих технологий и оборудования пока нет. Однако раз это в принципе возможно, прорывы в этом направлении не за горами.

После ввода в эксплуатацию первой в мире геотермальной электростанции с горизонтальными стволами, которую в ноябре 2023 года запустила компания Google, подрядчик проекта компания Fervo Energy принялась бурить скважины для коммунального предприятия в штате Юта. Благодаря новым технологиям и передовому оборудованию нефтяников, проходка горизонтальных стволов стала на 70 % быстрее и на 50 % дешевле, что может сильно подтолкнуть развитие новой отрасли.

На новом проекте. Источник изображения: Fervo Energy

По словам Fervo Energy, горизонтальная скважина для проекта Cape Station в южной части штата Юта пробурена за 21 день. Благодаря этому стоимость работ снизилась с $9,4 млн, которые заплатила компания Google за проект в штате Невада, до $4,8 млн. Работы выполнены не только быстрее, но также существенно дешевле. Помог в этом не только полученный на проекте Google опыт, но также закупленное у нефтяников самое передовое на сегодня оборудование для бурения и охлаждения рабочих скважин в процессе бурения.

Более того, скважина на новом проекте пробурена ещё на 640 м глубже, чем в проекте Google, а там она была создана на глубине более 2 км. Трансляция опыта на другие проекты обещает получить доступ к чистой геотермальной электроэнергии в местах, где нет традиционных геотермальных источников. Согласно проектам Fervo Energy, она закачивает на глубину холодную воду с поверхности и обратно поднимает уже нагретую до более чем 200 ℃. Эта вода нагревает водный контур в электростанции и полученным паром вращает турбину. Затем вода в первом контуре охлаждается и снова идёт под землю, и так до бесконечности.

В 2008 году учёные предприняли попытку бурения скважины к карману с магмой под вулканом Крафла в Исландии. Камера с магмой оказалась ближе ожидаемого, поэтому она вскрылась и разрушила скважину. Но главное, что катастрофы в виде спровоцированного бурением извержения не произошло, что доказало возможность контролируемого доступа к магме и позволило надеяться на приручение в будущем энергии вулкана.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

С учётом полученного опыта учёные предпримут ещё ряд попыток подобраться как можно ближе к магматическим камерам под Крафлой. Следующее бурение запланировано на 2026 год. Проектом занимается специально созданная для этого организация Krafla Magma Testband (KMT).

«Возможность проникнуть в кору и взять пробы магмы дала бы нам огромные знания, — заявляют исследователи. — Мы надеемся, что сможем провести хотя бы прямое измерение температуры, чего никогда раньше не делалось».

Проект очень амбициозен. Предстоит разработать жаропрочные инструменты и измерительную аппаратуру, чтобы добраться до нужной глубины и контролировать условия вблизи карманов с магмой и внутри них. При этом следует понимать, что обнаружение магматических карманов и определение глубины их залегания — это нетривиальная задача. Как правило, учёные бурят почти вслепую, надеясь, что соседство с вулканом с большой вероятностью позволит рано или поздно добраться до камеры с магмой.

Пример площадки для добычи энергии от тепла магмы. Источник изображения: Krafla Magma Testband

В случае удачи проект привнесёт много нового в наши знания о вулканах и причинах извержений. Но учёные ожидают от работ также практической ценности. В 2028 году будет предпринято ещё одно бурение на склонах Крафлы, но уже с прицелом на геотермальные технологии. С помощью перегретой воды под высоким давлением, разогреваемой магмой в кармане или вблизи камеры, планируется запустить вырабатывающую электрический ток турбину. По мнению исследователей, такие мощные источники энергии как вулканы следует постепенно приручить, чтобы получить доступ к их неограниченной чистой энергии.

Google сообщила, что в её центр обработки данных в Неваде начала подаваться электрическая энергия с первой в своём роде электростанции. Электричество вырабатывает нагретая до почти 200 ℃ вода, поднятая с глубины свыше 2 км. Чтобы обеспечить непрерывную работу электростанции с номинальной мощностью 3,5 МВт потребовалось пробурить горизонтальные скважины. Уникальный проект позволит создавать подобные установки во многих уголках Земли.

Источник изображения: Google

Проект реализован благодаря двухлетнему сотрудничеству Google и стартапа Fervo Energy. Опыт, необходимый для создания электростанции был перенят у нефтяников, для которых горизонтальная проходка не в новинку. Горизонтальный ствол длиною 990 м с помещённой внутрь обсадной трубой диаметром 17,78 см позволил создать постоянный и равномерный поток нагретой до 191 ℃ воды со скоростью 63 л/с. Обычный вертикальный канал был бы достаточен для обеспечения объектов теплом, чем практически сегодня и занимается геотермальная индустрия. До реализации проекта Google и Fervo о выработке электрической энергии из геотермальных источников никто всерьёз не думал.

Google показала, что проект рабочий и его можно тиражировать. Ранее компания Fervo заявляла, что в случае успеха намерена построить в штате Юта на порядок или даже более масштабную геотермальную электростанцию. Этот проект предусматривает обеспечение чистой энергией четверть жителей штата или около 300 тыс. домохозяйств.

Схема бурения скважин в проекте. Источник изображения: Fervo Energy.

Вдоль горизонтального канала с трубой проложены оптоволоконные кабели, которые служат датчиками потока, измеряют температуру и динамику прохода воды. Слежение за параметрами скважины ведётся в непрерывном круглосуточном режиме. Энергия от выработки также подаётся в стабильном режиме 24/7 в любое время года вне зависимости от погоды. Она может стать весомым дополнением к солнечной и ветровой энергетике, сглаживая пики потребления и прерывистый характер этих возобновляемых источников.