Fusion Tech vindt toepassingen voor geothermie

De bovenste tien kilometer van de aardkorst bevatten enorme geothermische reserves, die in wezen wachten tot het menselijke energieverbruik zijn onbeperkte energie kan benutten – die zelf geen broeikasgassen produceert. En toch produceren geothermische bronnen momenteel slechts drie tiende van één procent van de elektriciteit in de wereld. Deze veelbelovende energiebron wordt lange tijd beperkt door de buitengewone uitdagingen van het boren van gaten die diep genoeg zijn om toegang te krijgen tot de intense hitte onder het aardoppervlak.

Nu zegt een spin-off van MIT dat het een oplossing heeft gevonden in een innovatieve technologie die de kosten en tijdlijnen van het boren naar fantastische diepten dramatisch zou kunnen verminderen. Quaise Energy, gevestigd in Cambridge, Massachusetts, is van plan zogenaamde gyrotonboren te gebruiken om gesteente te verdampen met behulp van krachtige microgolven.

“We moeten dieper en heter gaan om geothermische energie buiten plaatsen als IJsland levensvatbaar te maken.” —Carlos Araque, Quaise Energie

De gyrotron maakt gebruik van krachtige vacuümbuizen met lineaire bundel om millimeterlange elektromagnetische golven te genereren. Gyrotonen, uitgevonden door Sovjetwetenschappers in de jaren zestig, worden gebruikt in onderzoeksexperimenten op het gebied van kernfusie om plasma te verwarmen en te controleren. Quaise heeft 95 miljoen dollar opgehaald bij investeerders, waaronder het Japanse Mitsubishi, om technologie te ontwikkelen waarmee het snel en efficiënt 20 km diep kan boren, dichter bij de kern van de aarde dan ooit tevoren.

Quaise Energy heeft een draagbaar gyrotron-prototype ontwikkeld, waarmee ze later dit jaar veldtesten willen uitvoeren.Quaise-energie

“Superkritische geothermische energie heeft het potentieel om fossiele brandstoffen te vervangen en ons uiteindelijk een weg te banen naar een koolstofvrije energietransitie met basislast”, zegt Carlos Araque, CEO van Quaise, veteraan uit de olie- en gasindustrie en voormalig CTO van The Engine Accelerator, het platform van MIT. voor de commercialisering van wereldveranderende technologieën. “We moeten dieper en heter gaan om geothermische energie buiten plaatsen als IJsland levensvatbaar te maken.”

Het boren van het diepste door mensen gemaakte gat, dat zich 12.262 meter onder het oppervlak van Siberië uitstrekt, duurde bijna twintig jaar. Naarmate de schacht dieper ging, daalde de voortgang tot minder dan een meter per uur – een snelheid die uiteindelijk tot nul daalde nadat de klus in 1992 werd stopgezet. Die inspanning en soortgelijke projecten maakten duidelijk dat conventionele boren niet opgewassen waren tegen de hoge temperaturen en druk diep in de aardkorst.

Microgolven ontmoeten rotsen

‘Maar de energiebundel heeft dat soort beperkingen niet’, zegt Paul Woskov, senior onderzoeksingenieur bij het Center for Plasma Science and Fusion van MIT. Woskov heeft tientallen jaren gewerkt met krachtige microgolfstralen, die hij naar precieze locaties stuurde om waterstofbrandstof boven de 100 miljoen graden te verwarmen en fusiereacties op gang te brengen.

“Het was geen grote stap om het verband te leggen dat als we stalen kamers konden smelten en verdampen, we ook rotsen konden laten smelten.” – Paul Woskov, MIT

“Ik was me er al van bewust dat deze bronnen behoorlijk schadelijk zijn voor materialen, omdat een van de uitdagingen is om de binnenkamer van een tokamak niet te laten smelten”, een apparaat dat plasma opsluit met behulp van magnetische velden. “Het was dus niet echt een sprong om het verband te leggen dat als we stalen kamers konden smelten en verdampen, we rotsen konden smelten.”

In 2008 begon Woskov intensief te onderzoeken of de aanpak een betaalbare verbetering zou kunnen zijn ten opzichte van mechanisch boren. Het onderzoek leidde tot praktijkexperimenten waarbij Woskov een kleine gyrotron gebruikte om basaltstenen door te slaan.

Op basis van zijn experimenten en ander onderzoek berekende Woskov dat een millimetergolfbron, gericht door een golfgeleider van ongeveer 20 centimeter, met een snelheid van 20 meter per uur een gat ter grootte van een basketbal in de rots kon slaan. In dat tempo zouden 25 en een halve dag continu boren het diepste gat ter wereld creëren.

“Het was duidelijk dat als we het op gang konden krijgen, we hele diepe gaten konden boren voor een fractie van wat het nu kost”, zegt Wostov. Hoewel Wostov wordt gezien als de oprichter van Quaise, zegt hij dat hij – in tegenstelling tot MIT – geen financieel belang in het bedrijf heeft.

Een golf van kansen

Het Quaise-ontwerp vereist een gegolfde metalen buis die als golfgeleider fungeert en die eruit wordt getrokken nadat het boren is voltooid. Het systeem zou afhankelijk zijn van geïnjecteerd gas voor blussing en asverwijdering.

“In plaats van vloeistof te pompen en de boor te draaien, gaan we rotsen verbranden en verdampen en gas winnen, dat veel gemakkelijker te pompen is dan modder.” —Carlos Araque, Quaise Energie

“We hebben ongeveer een megawatt nodig om het van stroom te voorzien, dezelfde hoeveelheid stroom als een typisch booreiland”, zegt Araque. “Maar we gaan het op heel verschillende manieren gebruiken. In plaats van vloeistof te pompen en de boor te laten draaien, zullen we rotsen verbranden en verdampen en gas winnen, dat veel gemakkelijker te pompen is dan modder.”

Door een golfgeleider te gebruiken om de energie naar het doelgesteente te leiden, kan de energiebron aan de oppervlakte blijven. Dat klinkt misschien overdreven, maar het concept werd getest in een experiment in de jaren zeventig waarin Bell Labs een golftransmissiemedium van 14 km bouwde in het noorden van New Jersey. Onderzoekers hebben ontdekt dat het millimetergolven kan overbrengen met zeer weinig verzwakking.

Quaise wil zich in eerste instantie richten op industriële klanten met behoefte aan stoom met gegarandeerde flow, temperatuur en druk. “Ons doel is om te voldoen aan de industriële belastingsspecificaties”, zegt Araque. “Ze kunnen de ketel trekken en wij geven ze ter plekke stoom van 500ºC.”

Uiteindelijk hoopt het bedrijf dat de technologie nieuwe geothermische energiecentrales mogelijk kan maken of de ombouw van turbines die voorheen werden verwarmd door fossiele brandstoffen mogelijk zou maken, waardoor het elektriciteitsnet uit elke bron naar schatting 25 tot 50 megawatt elektriciteit zou kunnen leveren.

Het bedrijf is van plan dit najaar te beginnen met velddemonstraties, waarbij een prototype-installatie wordt gebruikt om gaten te boren in hard gesteente op een locatie in Marble Falls, Texas. Van daaruit is Quaise van plan een demonstratieplatform op ware grootte te bouwen in een hoge geothermische zone in het westen van de Verenigde Staten.

Quaise Energy boorde een gat van 254 centimeter (100 inch) diep en 2,5 cm in diameter in de basaltpilaar, waardoor het 100 keer dieper werd dan de oorspronkelijke tests van het team, uitgevoerd bij MIT.Quaise-energie

De diepte onder ogen zien

Hoewel laboratoriumgegevens de haalbaarheid van een uitbreiding van de toegang hebben aangetoond, zullen de technische obstakels voor het Quaise-plan waarschijnlijk dieper reiken dan de radicale boormethode.

“Als ze daadwerkelijk een gat van 10 km kunnen boren met behulp van krachtige microgolven, zal dat een aanzienlijke technische prestatie zijn”, zegt Jefferson Tester, die de extractie van geothermische energie in ondergrondse rotsreservoirs aan de Cornell University bestudeert. “Maar de uitdaging is om die putten af ​​te werken, zodat ze niet ontploffen, vooral als je vloeistoffen uit de ondergrond gaat verwijderen en het temperatuurprofiel gaat veranderen.

“Een gat boren is al uitdagend genoeg”, zegt Tester. “Maar het daadwerkelijk opstarten van het reservoir en het veilig winnen van energie uit de grond kan iets heel, heel ver in de toekomst zijn.”