В конце января в северной части Невады, глубоко под пустыней, инновационный стартап, занимающийся геотермальной энергетикой, начал нестандартный эксперимент. Они закачали воду на глубину нескольких тысяч футов, а затем оставили ее там, наблюдая за реакцией подземных пород.
Традиционные геотермальные станции работают за счет циркуляции воды через горячие породы. В большинстве современных установок эта вода поднимается на поверхность, где ее тепла достаточно для испарения хладагентов или других жидкостей. Полученный пар вращает турбину, генерируя электричество. Это базовый принцип получения электроэнергии из глубин Земли.
Однако компания Fervo Energy из Хьюстона тестирует совершенно новый подход. В тот день их инженеры и руководство больше интересовались получением данных, чем выработкой тока. Показания датчиков, установленных в их скважинах-близнецах, продемонстрировали быстрое нарастание давления: вода, не имея выхода, фактически деформировала горную породу. Когда клапан был наконец открыт, произошел мощный выброс воды, который продолжался часами с более высокой, чем обычно, интенсивностью.
Результаты этих первых тестов, о которых эксклюзивно сообщает MIT Technology Review, указывают на то, что Fervo может создавать гибкие геотермальные установки, способные быстро наращивать или снижать выработку энергии по требованию. Что еще более важно, система способна аккумулировать энергию в течение нескольких часов или даже дней и отдавать ее обратно. По сути, это работает как гигантский и долговечный аккумулятор. Это означает, что станции могут снижать производство, когда ветряные и солнечные парки работают на полную мощность, и обеспечивать стабильный поток чистой энергии, когда возобновляемые источники ослабевают.
Остаются вопросы о масштабируемости, экономической целесообразности и безопасности. Но если Fervo сможет построить коммерческие объекты с такой дополнительной функцией, это закроет критический пробел в современных энергосетях, облегчая и удешевляя процесс отказа от выбросов парниковых газов в электроэнергетике.
«Мы знаем, что генерировать и продавать традиционную геотермальную энергию уже невероятно ценно для сети, — говорит Тим Латимер, генеральный директор и соучредитель Fervo. — Но со временем наша способность быстро реагировать, наращивать и снижать мощность, а также аккумулировать энергию, будет цениться еще выше».
«Геотермальное шоссе»
В начале февраля Латимер вез коллегу и меня из аэропорта Рино на площадку компании.
«Добро пожаловать на Геотермальное шоссе», — сказал он за рулем пикапа компании, когда мы проезжали мимо первой из нескольких геотермальных станций вдоль трассы I-80.
Шоссе пролегает через плоскую пустыню в самом сердце Бассейна и Хребта Невады — серии параллельных долин и горных хребтов, образованных расхождением тектонических плит.
Кора растягивалась, истончалась и раскалывалась на блоки, которые наклонялись, формируя горы на приподнятых сторонах и заполняя долины осадками и водой, как это запоминающимся образом описал Джон Макфи в своей книге 1981 года «Бассейн и Хребет». С геотермальной точки зрения важно то, что все это растяжение и наклон привели горячие породы довольно близко к поверхности.
У геотермальной энергии много преимуществ: это практически неисчерпаемый, круглосуточный источник безуглеродного тепла и электричества. Если бы США смогли уловить всего 2% тепловой энергии, доступной на глубине от двух до шести миль, это могло бы произвести более чем в 2000 раз больше, чем годовое потребление энергии всей страны.
Однако из-за геологических ограничений, высоких капитальных затрат и других проблем мы используем ее крайне мало: на ее долю приходится всего 0,4% производства электроэнергии в США на сегодняшний день сегодня. **
На сегодняшний день разработчики геотермальных станций смогли задействовать только самые перспективные и экономически выгодные места, подобные этому участку Невады. Им необходимо бурить до пористых, проницаемых, горячих пород на относительно небольшой глубине. Проницаемость породы критически важна для движения воды между двумя пробуренными человеком скважинами в такой системе, но это и тот фактор, которого часто не хватает в других, казалось бы, благоприятных районах.
Начиная с начала 1970-х годов, исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламоса начали доказывать, что мы можем обойти это ограничение инженерными методами. Они обнаружили, что, используя методы гидроразрыва, схожие с теми, что применяются в нефтегазовой отрасли, можно создавать или расширять трещины в относительно плотных и очень горячих породах. Затем можно было закачивать воду, по сути, создавая подземные теплообменники.
Такая «усовершенствованная» геотермальная система (Enhanced Geothermal System, EGS) работает так же, как и любая другая, но открывает возможность строительства электростанций в местах, где породы изначально недостаточно проницаемы для легкой циркуляции горячей воды. Исследователи в этой области десятилетиями утверждали, что если мы снизим стоимость таких технологий, это откроет огромные новые территории для геотермальной разработки.
Как отмечалось в исследовании MIT 2006 года, при инвестициях в $1 миллиард в течение 15 лет, станции EGS могли бы добавить 100 гигаватт новой мощности в энергосеть к 2050 году, поставив геотермальную энергетику в один ряд с более популярными возобновляемыми источниками. (Для сравнения: в США установлено около 135 гигаватт солнечной и 140 гигаватт ветровой мощности.)
«Если мы сможем найти способ извлекать тепло из Земли там, где нет естественной циркулирующей геотермальной системы, у нас будет доступ к поистине огромному ресурсу», — говорит Сьюзан Петти, участвовавшая в том отчете и основательница AltaRock Energy из Сиэтла, одного из первых стартапов в области EGS.
США не сделали полных инвестиций в указанный период. Однако в последние годы освоение EGS стало для них растущим приоритетом.
Первые крупные федеральные усилия начались около 2015 года, когда Министерство энергетики (DOE) объявило о планах создания лаборатории Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE). Бурение на выбранной площадке Utah FORGE, недалеко от Милфорда, началось в 2016 году. Исследовательская лаборатория получила около 220 миллионов долларов федеральных средств на данный момент. Совсем недавно DOE объявило о планах инвестировать десятки миллионов долларов в эту область через свою инициативу Enhanced Geothermal Shot.
Несмотря на это, на коммерческом уровне сегодня работает всего несколько систем EGS в США.
Ставка Fervo
Латимер читал ту самую статью MIT, работая в Техасе инженером по бурению в BHP, горнодобывающей компании, занимающейся металлами, нефтью и газом. В тот период он все больше беспокоился изменением климата. На основе своего опыта он был убежден, что индустрия гидроразрыва природного газа уже решила некоторые технические и экономические проблемы, отмеченные в отчете.
В конце концов Латимер ушел с работы и поступил в Стэнфордскую высшую школу бизнеса с целью основать геотермальный стартап. Вскоре он встретил Джека Норбека, который заканчивал там свою докторскую диссертацию. Один из разделов его работы был посвящен прикладному моделированию выводов, сделанных в Лос-Аламосе.
Партнеры основали Fervo в 2017 году. С тех пор компания привлекла около 180 миллионов долларов венчурного капитала от Breakthrough Energy Ventures Билла Гейтса, DCVC, Capricorn Investment Group и других. Компания также объявила о заключении нескольких коммерческих соглашений о покупке электроэнергии для будущих проектов EGS, включая пятимегаваттную станцию на объекте в Неваде, которая поможет обеспечить энергией операции Google в штате.
По этим контрактам Fervo обязуется поставлять стабильный поток безуглеродной электроэнергии, а не гибкие функции, которые она сейчас исследует. Однако почти с самого начала коммунальные службы и другие потенциальные клиенты сообщали компании о необходимости иметь чистые источники, способные увеличивать и уменьшать генерацию. Это требовалось для соблюдения ужесточающихся климатических норм и балансировки растущей доли переменной ветровой и солнечной энергии в сети.
«Если мы сможем найти способ решить эту проблему, — вспоминает Норбек, — у нас действительно может появиться шанс изменить мир».
Fervo начала изучать, как это можно сделать, используя еще одну особенность систем EGS, на которую исследователи Лос-Аламоса также указывали в последующих экспериментах.
Создание трещин в породах с низкой естественной проницаемостью означает, что вода в системе не может легко утекать в другие зоны. Следовательно, если перекрыть систему скважин и продолжать нагнетать воду, можно создать механическое давление внутри: трещиноватые породы будут сопротивляться сжатию со стороны окружающей земли.
«Трещины способны расширяться и менять форму, почти как воздушные шары», — объясняет Норбек.
Затем это давление можно использовать. В серии моделирований Fervo обнаружила, что после повторного открытия клапана эти «шары» фактически сдуваются, поток воды увеличивается, а выработка электроэнергии резко возрастает. Если они «заряжали» систему в течение нескольких дней, закачивая воду, но не выпуская ее, станция могла генерировать энергию в течение нескольких дней.
Однако компании все еще нужно было убедиться, что это сработает в реальных условиях.
Испытания
После пересечения округа Гумбольдт в Неваде Латимер свернул на грязную дорогу. Объект Fervo был обозначен белой буровой установкой вдалеке, взметнувшейся на 150 футов над участком коричневой пустыни. Геология этого конкретного участка включает горячие породы на малой глубине, но не обладает проницаемостью, необходимой для традиционных станций.
В 2022 году компания пробурила там скважины-близнецы, используя почти 10-дюймовое сверло с фиксированными резцами для медленного прохождения смешанных метаседиментарных и гранитных формаций. Скважины постепенно изгибались под землей, в конечном итоге опускаясь примерно на 8000 футов в глубину и уходя примерно на 4000 футов по горизонтали.
Затем Fervo под высоким давлением закачала холодную воду для создания сотен вертикальных трещин между скважинами, по сути, сформировав гигантский подземный теплообменник в породе, нагретой почти до 380 °F (193 °C).
Около 8 утра 28 января компания перекрыла клапан на так называемой производственной скважине, куда обычно поступает вода, 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.
Норбек стоял возле этой скважины, когда они открыли ее около 7 вечера, его глаз был прикован к уровнемеру большого желтого водослива — простого, проверенного временем инструмента для измерения расхода. Горячая вода при контакте с открытым воздухом создала облако пара, а показания достигли пика.
Сотрудники Fervo продолжали тесты в течение нескольких дней, отключая скважину на восемь-десять часов и открывая ее снова на 14 и более часов, работая так, как это происходило бы в сети с обильным дневным солнечным светом. Утром нашего визита компания уже несколько дней пыталась эксплуатировать систему без закачки новой воды, чтобы понять, как долго она сможет работать в качестве формы хранения энергии.
Fervo, возможно, стала первой компанией, которая испытала этот метод объединения хранения и гибкости на объекте EGS. Подразделение ARPA-E Министерства энергетики США выделило 4,5 миллиона долларов на финансирование этих экспериментов.
Внутри трейлера безопасности на объекте Латимер открыл ноутбук и начал просматривать презентацию. Набор графиков демонстрировал серию плавных кривых и пиков по мере того, как в каждом из тестов нарастало давление и взлетал выход продукции. Затем он перешел на страницу, где были показаны результаты ранних моделей, которые более или менее соответствовали полученным данным.
«Суть в том, что это работает, — сказал Латимер. — То, что мы смоделировали, произошло в точности».
Ценность для сети
Основная проблема создания безуглеродного энергетического сектора заключается в том, что объем электроэнергии, генерируемой ветряными и солнечными фермами, резко колеблется в течение дня и года.
Это будет создавать все более серьезные проблемы по мере того, как возобновляемые источники будут доминировать в энергосетях. Исследования показывают, что общие системные затраты начинают резко расти, когда доля возобновляемых источников превышает примерно 80% генерации, если только не появятся крупные источники безуглеродной электроэнергии, работающие по требованию, более дешевые формы долгосрочного хранения энергии или другие технические решения.
Причина в том, что могут быть длительные периоды в году, когда солнце, ветер и другие колеблющиеся источники не обеспечивают достаточного количества энергии для поддержания работы ночью или днем. Региональные сети, почти полностью зависящие от этих ресурсов, часто вынуждены добавлять огромные массивы дорогих и относительно недолговечных аккумуляторных батарей, а также больше возобновляемых установок для их зарядки, только чтобы поддерживать свет в эти периоды.
Геотермальная станция, способная регулировать выработку вверх и вниз и замещать ослабевающие возобновляемые источники в течение часов или дней, обещает решить эти проблемы, предоставляя крайне ценный ресурс для все более «зеленеющих» энергосетей.
«Технологические инновации, которые мы демонстрируем… легко позволят геотермальной энергетике занять эту 20-процентную долю», — утверждает Латимер.
В прошлом году исследователи Принстона, работая с Fervo, провели серию симуляций безуглеродных энергосетей на западе США в 2045 году, изучая, какой набор технологий был бы наиболее привлекателен для самых низкозатратных версий таких систем.
Добавление функций гибкости от Fervo сделало геотермальную энергетику гораздо более привлекательным вариантом. Сегодня в США насчитывается всего около четырех гигаватт геотермальной энергии. Однако для будущих сценариев модель добавила от 25 до 74 гигаватт гибкой геотермальной мощности в свои безуглеродные сети, по сравнению с максимум 28 гигаваттами, если бы геотермальные станции не могли работать таким образом. Дополнительная возможность этих объектов также снизила общие затраты на системы сети до 10%.
«Если мы сможем заставить это работать… это может стать очень важным событием», — говорит Уилсон Рикс, исследователь энергетических систем из Принстона и ведущий автор рабочего документа.
Эти функции также должны увеличить экономическую ценность и прибыль самих геотермальных станций, потенциально облегчая их финансирование.
Другие компании давно нашли способы снижать мощность геотермальных станций. Но часто не имеет финансового смысла это делать — вы просто останавливаете работу и не получаете денег.
В случае с Fervo эти объекты могут снижать выработку в периоды, когда изобилие солнечной или ветровой энергии обрушивает оптовую цену электричества, а затем резко наращивать производство, когда эти источники истощаются и цены растут, отмечает Латимер.
Нерешенные вопросы
Тем не менее Fervo все еще сталкивается с серьезными проблемами.
Хотя все это выглядит многообещающе в моделях и теперь в полевых испытаниях, для коммерческих установок может потребоваться значительное изменение правил на рынках электроэнергии и соглашений о покупке. Существующие схемы в основном поощряют операторов работать на максимальной мощности постоянно.
Компании также потребуется провести гораздо более обширную работу, чтобы доказать, что эти возможности хранения и регулирования могут работать непрерывно на крупномасштабных коммерческих объектах в различных регионах и геологических условиях.
Между тем, остаются некоторые важные вопросы относительно EGS как базовой концепции, не говоря уже о дополнительных функциях, которые исследует Fervo.
Отрасль понесла серьезный удар в 2009 году, когда один из первых коммерческих проектов в Базеле, Швейцария, предположительно спровоцировал серию небольших землетрясений, включая событие магнитудой 3,4, которое, по сообщениям, нанесло ущерб на несколько миллионов долларов.
С тех пор произошли значительные улучшения в выборе площадок, проектировании скважин и других методах, минимизирующих вероятность индукции крупных сейсмических событий, — отмечает Джозеф Мур, главный научный руководитель проекта Utah FORGE. Он добавляет, что дополнительные функции хранения и гибкости, изучаемые Fervo, не должны создавать новых опасностей такого рода.
Однако индуцированная сейсмичность остается проблемой, требующей осторожного обращения и постоянного мониторинга. Это вызывает опасения у сообществ, рассматривающих такие проекты.
Кроме того, существует просто не так много систем EGS, которые были построены и эксплуатировались в течение длительного времени. Как отмечает Трэвис Маклинг, руководитель геотермальной программы в Национальной лаборатории Айдахо, в некоторых случаях и местах все еще может быть трудно или дорого создать достаточное количество трещин и путей для обеспечения необходимой скорости потока.
Кроме того, со временем системы могут терять проницаемость из-за образования биопленок в скважинах, минеральных отложений в трещинах и других изменений. Это может снизить выход и подорвать экономику, говорит Маклинг. «Устойчивость коллектора — моя самая большая забота», — написал он в электронном письме.
«Основные основы»
Латимер также подчеркивает, что геотермальная отрасль добилась значительного прогресса в понимании сейсмических рисков и разработке методов, которые минимизируют вероятность индукции значительных землетрясений.
Это включает горизонтальное бурение через несколько геологических зон для усреднения сдвигов давления в более широких областях, что и сделала Fervo в Неваде. Компания также сотрудничает с Геологической службой США для тщательного мониторинга сейсмичности на объекте и оценки других методов, разработанных для дальнейшего снижения таких рисков.
Коммерческий план Fervo по-прежнему в первую очередь сосредоточен на производстве стабильного потока чистой электроэнергии. Невадская станция должна начать поставлять именно это Google и другим клиентам позже в этом году.
Но Латимер и Норбек считают, что функции гибкости и хранения станут экономическим бонусом помимо основных преимуществ EGS, и что первоначальные полевые результаты показывают, что потенциал стоит дальнейшего изучения.
«Это дало нам уверенность в том, что фундаментальные основы заложены, — говорит Норбек. — Теперь речь идет об оптимизации, снижении затрат и подобном. Но физика проверена, и концепция может работать».
