Così la geotermia renderà obsoleto e inutile il nucleare

Geotermia. Un approfondimento dal seguitissimo canale YouTube, oltre 1 milione di iscritti, “Undecided” di Matt Ferrell. Alla scoperta di una nuova tecnica di perforazione che si annuncia rivoluzionaria. Quaise Energy, una startup del MIT, ha in programma di realizzare una trivella a onde in grado di perforare di 20 km la crosta terrestre in modo da ottenere energia geotermica praticamente illimitata.

L’energia geotermica ha il potenziale per essere una fonte di energia sempre attiva per i paesi di tutto il mondo. Tuttavia, non è stata l’opzione di energia rinnovabile più utilizzata. Perforare abbastanza in profondità nella terra per raggiungere temperature sufficientemente elevate è difficile e costoso.

Eppure, una startup ha recentemente portato alla luce una soluzione che potrebbe risolvere questo problema. Semplificando parliamo di un raggio di calore per sciogliere le rocce . So che sembra un remake di Star Wars, ma qui non stiamo parlando della Morte Nera. E’ in realtà una tecnologia consolidata dalla ricerca sulla fusione nucleare che ora viene riapplicata all’energia geotermica. Potrebbe sbloccare il vero potenziale dell’energia geotermica e renderlo migliore del solare e dell’eolico? Vediamo se riusciamo a prendere una decisione in merito. Spoiler: è piuttosto cool… o dovrei dire caldo?

Attualmente sto costruendo una nuova casa a zero emissioni e sto valutando l’installazione di un sistema di riscaldamento e raffreddamento geotermico. L’idea di attingere alla terra come fonte di calore stabile per un sistema a pompa di calore è davvero allettante per le nostre case. Ma possiamo anche attingere più in profondità nella terra per una fonte di calore super calda e costante per alimentare le turbine che generano elettricità per le città ed i paesi.

A differenza del solare e dell’eolico, l’energia geotermica potrebbe garantire una fornitura più stabile di energia pulita quasi ovunque. D’altra parte, le attuali tecniche di perforazione non possono raggiungere in modo economico i punti più caldi della Terra per sbloccare tale potenziale. In effetti, penetrare in profondità nelle rocce più dure è un processo complicato e costoso. Insieme all’esplorazione, lo scavo di pozzi rappresenta il 40% del costo iniziale totale di un impianto geotermico. Ecco perché gli scienziati si stanno rivolgendo a un “raggio della morte”… cioè non proprio… Tra un minuto arriverò a questa tecnologia “killer”, ma prima facciamo un breve riassunto sull’energia geotermica.

Questa fonte di energia è sul nostro pianeta da sempre. Beh, in realtà al suo interno. Il nucleo interno della Terra è caldo quanto il sole, motivo per cui viene spesso soprannominato “il sole sotto i nostri piedi”. La buona notizia è che ci vorranno miliardi di anni prima che la Terra si raffreddi. Alimentata dal calore residuo dalla creazione del nostro pianeta e dal decadimento degli elementi radioattivi, questo sole sotterraneo ha dato origine a riserve idrotermali naturali.

Fondamentalmente, il calore del nucleo terrestre spinge l’acqua verso l’alto attraverso le rocce permeabili fino a quando non colpisce un muro impermeabile. Intrappolata, la pressione dell’acqua aumenta e talvolta può sfondare. Pensa alle terme romane che facevano affidamento sulle sorgenti termali. O forse agli islandesi che tostano il pane sui geyser. Oltre che per bagni caldi e barbecue all’aperto, possiamo utilizzare il vapore caldo sotterraneo per azionare una turbina e produrre elettricità.

Esistono diverse configurazioni di impianti in grado di convertire questa energia termica in energia elettrica. Tra tutte le opzioni, le centrali elettriche a ciclo binario sono le più nuove e sostenibili e offrono le migliori promesse per l’energia geotermica. A differenza di altri, gli impianti binari non utilizzano l’acqua calda sotterranea per generare vapore. Per essere più precisi, dopo averlo estratta e riscaldata ulteriormente fino a un massimo di ca. 200 gradi, la fanno passare attraverso uno scambiatore di calore. Qui, l’acqua geotermica trasferisce il suo calore a un liquido secondario con un punto di ebollizione molto più basso. Questo quindi genera il vapore che farà girare la turbina.

L’impianto include un condensatore per riconvertire il vapore in un liquido e riutilizzarlo. Sfruttando questo sistema binario a circuito chiuso, non farai evaporare i fluidi geotermici che, oltre al vapore acqueo, contengono anidride carbonica, acido solfidrico e altri composti tossici. Facile quindi capire perché questa sia un’alternativa più ecologica.

Il potenziale geotermico complessivo è enorme. Secondo AltaRock Energy, raccogliere solo lo 0,1% del calore del pianeta potrebbe soddisfare la fame di energia del mondo per 2 milioni di anni. Considerato quanto ciò sia cool, perché l’energia geotermica rappresenta solo lo 0,55% della nostra produzione globale di elettricità? Principalmente perché la parte accessibile di quel calore è sparpagliata sulla crosta terrestre. In effetti, la maggior parte dei serbatoi idrotermali come fumarole vulcaniche, sorgenti e geyser si trovano solo lungo le placche tettoniche.

Inoltre, l’acqua che riempie le tasche geotermiche poco profonde non è abbastanza calda da rendere conveniente la raccolta di energia. Per non parlare degli ostacoli tecnici ed economici legati al raggiungimento di punti più caldi utilizzando le attuali tecnologie di perforazione. Eppure, grazie alla nuova tecnologia di perforazione, il vero potenziale della geotermia potrebbe essere più vicino che mai. Questa innovazione potrebbe portarci al di sotto dei 10 km in un modo più conveniente. Laggiù le sorgenti geotermiche hanno temperature molto più elevate e sono più diffuse.

Una tecnologia rivoluzionaria

Pur essendo convenienti, il potenziale dei parchi solari ed eolici è minato dalla loro intermittenza. Invece, una fonte di energia verde 24 ore su 24, 7 giorni su 7, come la geotermica, potrebbe fornirci un’arma extra potente contro il riscaldamento globale. Parlando di armi, esploriamo come i “raggi della morte” (di nuovo, non un vero raggio della morte) potrebbero spingere l’energia geotermica a un nuovo livello.

Tutto è iniziato con il lavoro di Paul Woskov, un ingegnere ricercatore senior presso il Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT. Nel 2012, ha dimostrato l’uso di un girotrone per vaporizzare la roccia invece di macinarla. Questo tubo a vuoto ad alta potenza genera un raggio millimetrico di onde a radiofrequenza (RF), dirette attraverso una guida d’onda, per riscaldare un plasma e controllarne la temperatura nei reattori a fusione degli ultimi 50 anni. Dirottando questa tecnologia di fusione, Woskov ha immaginato di perforare pozzi geotermici ultra-profondi.

Allora, come funziona? Avresti un tubo metallico che incorpora il girotrone che fa esplodere onde elettromagnetiche ad alta frequenza per fondere la roccia sotterranea. Il sistema inietta un gas per ripulire la sporcizia post-vaporizzazione. Per essere più specifici, il gas raffredda i vapori caldi, che si condensano in nanoparticelle. Questi vengono poi lavati fuori dal pozzo dal flusso ad alta pressione. Questo processo potrebbe aiutare a praticare fori profondi, ma non useresti questa perforazione sofisticata per l’intero processo. Ho contattato il CEO di Quaise, Carlos Araque, il braccio sul campo… o forse sotterraneo… di questa rivoluzione geotermica, che così ha detto:

“In geologia hai la roccia sedimentaria e poi sotto di essa hai il seminterrato. Roccia sedimentaria non consolidata, facile da perforare. Ed è ciò che i sistemi di perforazione meccanica sono molto bravi a fare, quindi perforate la prima parte in modo convenzionale, nessuna differenza lì. Ma la seconda parte è molto difficile da fare. Quindi, in quella seconda porzione utilizziamo un trapano a onde millimetriche.

-Carlo Araque

Sulla base dei suoi risultati sperimentali, Woskov ha capito che le onde millimetriche avrebbero reso il processo di perforazione più efficiente in termini di costi. Innanzitutto, non saresti limitato dalla temperatura e dalla durezza della roccia. Inoltre, non è necessario disporre di apparecchiature meccaniche di fondo pozzo che potrebbero danneggiarsi. Grazie a una lunghezza d’onda circa 1.000 volte più lunga di quella di un tipico laser a infrarossi, le onde millimetriche possono viaggiare attraverso le nanoparticelle di roccia in ingresso senza essere disperse in modo significativo.

Ciò significa che il raggio non perde molta energia prima di raggiungere la superficie del bersaglio. Inoltre, la roccia fusa calda assorbe più energia quando viene irradiata da un girotrone rispetto a quando viene colpita da un laser standard. Nel complesso, i girotroni sono fino a 5 volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto al miglior laser a lunghezza d’onda inferiore che puoi ottenere. Ma per quanto riguarda i costi? Paul Woskov ha riflettuto su questo.

“Ho esaminato il costo dell’elettricità per vaporizzare un volume di roccia. Questo è il principale materiale di consumo nella perforazione a energia diretta. Ho stimato che un buco di otto pollici di diametro e profondo circa 10 chilometri, sarebbe costato qualcosa come mezzo milione di dollari di elettricità per vaporizzare un volume equivalente di granito di quelle dimensioni e profondità. Se guardi a quelle profondità, il costo totale di un pozzo di perforazione meccanico è nell’ordine di 30 milioni di dollari”

Paul Woskov

È pazzesco, giusto? Stiamo parlando di risparmiare decine di milioni di dollari. Ma c’è un altro vantaggio economico chiave dell’utilizzo dei raggi di calore. Quando si fa affidamento su processi meccanici come la tecnologia rotativa, è necessario un fluido ad alta densità, noto anche come fango di perforazione, per contrastare la pressione circostante sul pozzo e impedirne il collasso. Al contrario, le onde millimetriche non richiedono la perforazione del fango, ma come potrebbe un foro perforato da un girotrone sopportare una pressione pari a migliaia di atmosfere senza fallire?

Come parte del processo, alcune delle onde colpiranno le pareti del foro, causandone la vetrificazione, il che significa che la superficie si trasformerà in un rivestimento vetroso. . Oltre a sigillare eventuali crepe nella parete, il processo di riscaldamento aumenterà la pressione interna, che bilancia la forza esterna. Di conseguenza, sarà possibile scavare pozzi più profondi ma più stabili senza aggiungere fango di perforazione, che è un altro aspetto che potrebbe rendere l’intero processo più redditizio.

“Stai facendo un buco rivestito di vetro e quel vetro è molto forte. E quindi, in effetti, stiamo effettuando il rivestimento nello stesso momento in cui stiamo perforando il foro, il che è un altro grande risparmio. Stimo che potrebbe essere forse 10 volte più economico di un muro di perforazione meccanico estremamente profondo”

Paul Woskov

Se si tiene conto di tutti questi costi extra, l’idea di Woskow risulta essere molto più conveniente. Oltre ad essere costoso, il fango di perforazione non funziona a temperature come i 500°C, che è dove la produzione di energia geotermica è più efficiente. Paul ha avuto delle ottime intuizioni al riguardo.

“I fanghi di perforazione non funzionano molto bene a quelle temperature. Il peso della colonna inizia a diminuire man mano che si va in profondità perché la densità del fango non è mai abbastanza simile alla densità della roccia. Quindi alla fine non puoi avere abbastanza colonne di fango di perforazione che bilanciano la pressione verso l’esterno. Tuttavia, con la perforazione ad energia diretta ad alte temperature, siamo sempre sotto pressione, indipendentemente dalla profondità”.

Paul Woskov

Per essere più specifici, questo sistema di perforazione privo di fango potrebbe resistere bene a sollecitazioni dovute alla pressione inferiori a 10 km, ed è qui che l’accesso geotermico diventa universale. Secondo il rapporto GeoVision del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, lo sfruttamento di queste fonti di calore sotterranee non utilizzate potrebbe aumentare di 26 volte l’elettricità geotermica entro il 2050. Oltre a una disponibilità più ampia, quando si scende al di sotto dei 10 km, troverete le cosiddette risorse geotermiche Super Hot Rock (SHR), con temperature superiori a 375°C. In queste condizioni un impianto geotermico può attingere acqua supercritica, che è più densa di energia rispetto alla sua controparte non supercritica.

Un pozzo immerso in SHR produrrebbe fino a 10 volte più energia rispetto a un sistema geotermico avanzato (EGS) convenzionale. Sulla base dello studio di fattibilità tecnica ed economica condotto da AltaRock Energy sul sito di Newberry Volcano, SHR ridurrebbe del 50% il Levelized Cost of Electricity (LCOE – una misura del costo attuale netto medio di generazione di elettricità per un generatore nel corso della sua vita) della geotermia. Inoltre, la società ha stimato che la geotermia basata su SHR potrebbe avere un LCOE inferiore rispetto a quello eolico onshore o addirittura solare.

Energia geotermica a temperature caldissime

Chiaramente, il progetto di Woskov promette di portare la nostra fornitura di energia geotermica a un livello più alto (o a una profondità inferiore, immagino), il che significa che la nostra rete energetica diventerebbe molto meno dipendente dai combustibili fossili. La sua tecnologia di perforazione ispirata alla fusione non si limita solo allo spazio del laboratorio. Lo scorso febbraio, uno spin-off del MIT, Quaise, ha raccolto 40 milioni di dollari per sviluppare questa tecnologia rivoluzionaria. Sono passati dall’uso di un girotrone da 10 kilowatt per praticare un foro profondo 10 centimetri in una pietra delle dimensioni di un palmo all’uso del girotrone da megawatt del laboratorio Oak Ridge. L’azienda ha scavato buche profonde circa 90 cm in rocce molto più grandi.

Quaise sta collaborando con AltaRock per creare il primo progetto pilota in cui mirano a perforare un buco profondo 1 km vicino al vulcano Newberry, che è stato scelto come sito di test ideale. In effetti, AltaRock ritiene che questo cratere potrebbe essere una delle più grandi risorse geotermiche inutilizzate del Nord America. La presenza di un corpo di magma poco profondo rende la roccia laggiù molto più calda di altri luoghi, motivo per cui AltaRock potrebbe raggiungere temperature super calde (sopra i 400° C) a un quarto della profondità a cui dovresti scavare in altri luoghi. È un buon banco di prova.

Guardando al futuro, Quaise ha in programma di costruire la sua prima piattaforma di perforazione ibrida su vasta scala nel 2024. Sulla base di questa configurazione, Quaise utilizzerebbe prima la perforazione rotativa convenzionale per scendere nel basamento roccioso, dove poi attiverebbe il sistema di vaporizzazione per raggiungere i 20 km e temperature fino a 500°C. La società sostiene che potrebbero scendere a quella profondità in 100 giorni usando un girotrone da 1 MW. Giusto per darvi un’idea delle dimensioni, il Kola Superdeep Borehole, il buco più profondo mai scavato sulla Terra, è sceso a 12,2 km e ci sono voluti 20 anni per essere completato. Ti sento già. 100 giorni sono possibili? Carlos ha fatto luce su questo.

“Quando sei a cinque chilometri di distanza in una finestra di 10 giorni, potresti passare 30 ore a perforare, questa è la vita della punta del trapano prima che debba essere sostituita. 10 giorni sono 240 ore, quindi trascorri sette ottavi del tempo a far scorrere il tubo dentro e fuori dal foro per sostituire la punta del trapano. 10 giorni sono un milione di dollari di pausa. Non parliamo di perforazione a cento metri all’ora, parliamo di perforazione a cinque metri all’ora constante. Non si ferma perché non c’è niente da sostituire. Ora, se riusciamo a raggiungere un costo di perforazione di mille dollari al metro indipendentemente dalla profondità, i tuoi LCO sono compresi tra 1 e 3 centesimi per kilowattora, quindi la parità di costo con eolico e solare, ma costante e sempre attiva”.

Carlos Araque

Quindi, in teoria, sembra che Quaise possa raggiungere il proprio obiettivo. In pratica, dovremmo aspettare i test reali sul campo. Tuttavia, l’azienda ha una visione a lungo termine chiara e intelligente. Mirano a riadattare gli impianti di combustibili fossili esistenti che verranno dismessi durante la transizione a basse emissioni di carbonio. Sfruttando al massimo questa infrastruttura già pronta, potrebbero semplicemente scambiare carbone o vapore generato dal gas naturale con vapore caldo sotterraneo 24 ore su 24 per far girare le turbine.

“Il vapore può venire da terra, quindi l’idea ottiene molto successo tra gli sviluppatori di progetti energetici, perché hanno queste centrali elettriche che via via non potranno più operare e comunque sono sempre meno redditizie. Queste sono le persone più interessate al nostro progetto pilota. Certo ci vorranno ancora 3/4 anni per arrivarci..”

Carlos Araque

Lungo il loro percorso di perforazione geotermica Quaise potrebbe incontrare alcuni problemi. Più a fondo si perfora, più serve energia per tutte le operazioni. Allo stato attuale, compensare questa perdita di potenza significa rubare elettricità dalla rete o far funzionare generatori diesel. D’altra parte, il CEO di Quaise afferma che i combustibili fossili consumati dal loro sistema di perforazione sarebbero meno dell’1% dell’energia rinnovabile generata dal loro pozzo nel corso della sua vita.

Ma il loro sistema deve tenere conto anche delle perdite di pressione del gas. Ciò è dovuto all’attrito tra il gas e le pareti del tubo. Più scende il gas, maggiore è la caduta di pressione, maggiore è la pompa necessaria per farlo circolare dentro e fuori dal pozzo. Questo è uno dei motivi per cui Quaise ha stimato che 20 km potrebbero essere la profondità massima cui potrebbero arrivare. Un altro inconveniente degli scavi ultra-profondi potrebbero essere i terremoti. La creazione di pozzi potrebbe destabilizzare gli strati geologici, che possono innescare attività sismica. Ma Carlos ha una visione diversa..

“Oggi per la geotermia si perfora principalmente vicino ai confini tettonici perché è lì che il calore è più vicino alla superficie, quindi si perfora intenzionalmente vicino a zone problematiche con geologia molto giovane e instabile. Quando hai il lusso di andare più a fondo senza un aumento esponenziale dei costi, ti allontani da quelle instabilità. Direi anche che forse il 95% del business case per la nostra trivellazione è lontano dai confini tettonici. In realtà stiamo cercando di rendere disponibile il geotermico, non importa dove ti trovi. E la maggior parte del mondo in realtà non si trova su un confine tettonico”.

-Carlos Araque

Terremoti a parte, Quaise dovrà tenere d’occhio il budget. Come riportato dall’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA) nel 2019, la creazione di un impianto geotermico costerebbe quasi $ 4.000/kW. Questo è circa 4 volte più di quanto devi spendere per l’installazione di un parco solare. Tuttavia, come accennato in precedenza da Carlos e Paul, la perforazione a girotrone potrebbe far risparmiare denaro rispetto a un processo meccanico.

Non so se l’approccio geotermico di Quaise sia la panacea per la nostra transizione energetica, ma dovrebbe assolutamente essere inserito nel mix. Affidarsi a più fonti di elettricità pulita è la via da seguire sostenibile. Il punto di vista di Carlos sembra essere in linea con il mio su questo.

Sono davvero entusiasta del potenziale di tutto ciò. Ed è anche davvero interessante vedere una tecnologia della ricerca sulla fusione riapplicata in un modo così unico. Lo sviluppo della perforazione ispirata alla fusione ci permetterebbe di attingere a molti fluidi super caldi superando i limiti geografici e geologici. Potrebbe scatenare una perpetua primavera di energia geotermica per un mondo indipendente dall’energia a zero emissioni di carbonio. Tuttavia, sebbene i raggi di calore si basino su una tecnologia solida, ci sono ancora barriere economiche e test da superare prima di raggiungere una scala industriale.

MATT FERRELL
Matt Ferrell vive nella zona di Boston ed è un designer UI/UX di professione, ma è sempre stato ossessionato dalla tecnologia e dal suo funzionamento. Nel 2018 ha aperto il suo canale YouTube, Undecided with Matt Ferrell, dove esplora tecnologie sostenibili e intelligenti come veicoli elettrici, pannelli solari e case smart.

Fonte: Why This Fusion Tech May Be a Geothermal Energy Breakthrough – Traduzione a cura di Duccio Braccaloni – Leggi anche Geotermia: che errore non utilizzarla di più

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