Fusion Tech findet Anwendung für Geothermie

Die oberen 10 Kilometer der Erdkruste enthalten riesige geothermische Reserven, die im Wesentlichen darauf warten, dass der menschliche Energieverbrauch beginnt, ihre konstante Energieproduktion zu nutzen, die selbst keine Treibhausgase produziert. Und doch produzieren geothermische Quellen derzeit nur drei Zehntel Prozent des weltweiten Stroms. Diese vielversprechende Energiequelle war lange Zeit durch die außerordentlichen Herausforderungen, Löcher zu bohren, die tief genug waren, um an die intensive Hitze unter der Erdoberfläche zu gelangen, begrenzt.

Nun behauptet ein Spin-off des MIT, mit einer innovativen Technologie eine Lösung gefunden zu haben, die die Kosten und die Zeit für Bohrungen in fantastische Tiefen drastisch reduzieren könnte. Quaise Energy mit Sitz in Cambridge, Massachusetts, plant den Einsatz sogenannter Gyrotonic-Bohrer, um Gestein mithilfe leistungsstarker Mikrowellen zu verdampfen.

„Wir müssen tiefer und heißer vordringen, um Geothermie außerhalb von Ländern wie Island nutzbar zu machen. » —Carlos Araque, Quaise Energy

Ein Gyrotron verwendet Hochleistungs-Linearstrahl-Vakuumröhren, um elektromagnetische Wellen mit Millimeterlänge zu erzeugen. Gyrotons wurden in den 1960er Jahren von sowjetischen Wissenschaftlern erfunden und werden in Experimenten zur Kernfusionsforschung zur Erwärmung und Steuerung von Plasma eingesetzt. Quaise hat 95 Millionen US-Dollar von Investoren, darunter dem japanischen Unternehmen Mitsubishi, eingesammelt, um eine Technologie zu entwickeln, die es ihm ermöglichen würde, schnell und effizient in Tiefen von bis zu 20 km zu bohren, näher als je zuvor am Erdkern.

Quaise Energy hat einen tragbaren Gyrotron-Prototyp entwickelt, mit dem noch in diesem Jahr Feldtests durchgeführt werden sollen.Entferne die Energie

„Überkritische Geothermie hat das Potenzial, fossile Brennstoffe zu ersetzen und uns endlich den Weg für den Übergang zu kohlenstofffreier Grundlastenergie zu ebnen“, sagt Carlos Araque, CEO von Quaise, ein Veteran der Öl- und Gasindustrie und ehemaliger CTO von The Engine Accelerator, MIT’s Plattform zur Kommerzialisierung weltverändernder Technologien. „Wir müssen tiefer und heißer vordringen, um Geothermie außerhalb von Ländern wie Island nutzbar zu machen. »

Das Bohren des tiefsten von Menschenhand geschaffenen Lochs, das 12.262 Meter unter der Oberfläche Sibiriens liegt, dauerte fast 20 Jahre. Als der Schacht sank, verlangsamte sich der Vortrieb auf weniger als einen Meter pro Stunde, eine Geschwindigkeit, die schließlich auf Null sank, als die Arbeiten im Jahr 1992 eingestellt wurden. Dieser Versuch und ähnliche Projekte machten deutlich, dass die herkömmlichen Bohrgeräte den hohen Temperaturen nicht gewachsen sind. und Drücke tief in der Erdkruste.

Mikrowellen treffen auf Steine

„Aber ein Energiestrahl unterliegt solchen Einschränkungen nicht“, sagt Paul Woskov, leitender Forschungsingenieur am Plasma Science and Fusion Center des MIT. Woskov arbeitete jahrzehntelang mit leistungsstarken Mikrowellenstrahlen und richtete sie an präzise Orte, um Wasserstoff auf mehr als 100 Millionen Grad zu erhitzen und Fusionsreaktionen auszulösen.

„Es war nicht sehr schwierig, den Zusammenhang herzustellen, dass wir Steine ​​schmelzen könnten, wenn wir Stahlkammern schmelzen und verdampfen könnten.“ —Paul Woskov, MIT

„Ich wusste bereits, dass diese Quellen für Materialien ziemlich schädlich sind, denn eine der Herausforderungen besteht darin, die Innenkammer eines Tokamaks, eines Geräts, das ein Plasma mithilfe von Magnetfeldern einschließt, nicht zum Schmelzen zu bringen. „Es war also nicht schwer, den Zusammenhang herzustellen, dass wir Steine ​​schmelzen könnten, wenn wir Stahlkammern schmelzen und verdampfen könnten.“

Im Jahr 2008 begann Woskov intensiv zu untersuchen, ob dieser Ansatz eine erschwingliche Verbesserung gegenüber dem mechanischen Bohren darstellen könnte. Die Forschung führte zu praktischen Experimenten, bei denen Woskov ein kleines Gyrotron nutzte, um Basaltsteine ​​zur Explosion zu bringen.

Basierend auf seinen Experimenten und anderen Forschungen berechnete Woskov, dass eine Quelle von Millimeterwellen, die durch einen Wellenleiter von etwa 20 Zentimetern gerichtet wird, mit einer Geschwindigkeit von 20 Metern pro Stunde ein Loch von der Größe eines Basketballs in den Fels sprengen könnte. Bei diesem Tempo würden 25,5 Tage ununterbrochener Bohrungen das tiefste Loch der Welt schaffen.

„Es war klar, dass wir, wenn wir es schaffen würden, sehr tiefe Löcher für einen sehr kleinen Bruchteil dessen bohren könnten, was es derzeit kostet“, sagt Wostov. Obwohl Wostov als einer der Gründer von Quaise gilt, gibt er an, im Gegensatz zum MIT kein finanzielles Interesse an dem Unternehmen zu haben.

Eine Welle von Möglichkeiten

Das Design von Quaise erfordert ein gewelltes Metallrohr, das als Wellenleiter fungiert und nach Abschluss der Bohrung herausgezogen wird. Das System würde auf injiziertes Gas angewiesen sein, um die Asche zu löschen und zu evakuieren.

„Anstatt Flüssigkeit zu pumpen und eine Bohrmaschine zu betreiben, werden wir Gestein verbrennen und verdampfen und Gas fördern, das viel einfacher zu pumpen ist als Schlamm.“ —Carlos Araque, Quaise Energy

„Wir werden etwa ein Megawatt benötigen, um es anzutreiben, was der gleichen Energiemenge entspricht wie eine typische Bohrinsel“, sagt Araque. „Aber wir werden es auf ganz unterschiedliche Weise nutzen. Anstatt Flüssigkeit zu pumpen und einen Bohrer laufen zu lassen, verbrennen und verdampfen wir Gestein und fördern Gas, das viel einfacher zu pumpen ist als Schlamm.

Durch die Verwendung des Wellenleiters, um die Energie auf das Zielgestein zu richten, bleibt die Energiequelle an der Oberfläche. Das mag weit hergeholt erscheinen, aber das Konzept wurde in einem Experiment der 1970er Jahre getestet, bei dem Bell Labs im Norden von New Jersey ein 9-Meilen-Wellenleiter-Übertragungsgestell baute. Forscher fanden heraus, dass es Millimeterwellen mit sehr geringer Dämpfung übertragen kann.

Quaise will vor allem Industriekunden ansprechen, die Dampf mit garantierter Durchflussrate, Temperatur und Druck benötigen. „Unser Ziel ist es, die Spezifikationen einer industriellen Ladung zu erfüllen“, erklärt Araque. „Sie können den Kessel entfernen und wir versorgen sie vor Ort mit 500 °C heißem Dampf. »

Letztendlich hofft das Unternehmen, mit der Technologie neue Geothermiekraftwerke zu schaffen oder Turbinen, die früher mit fossilen Brennstoffen beheizt wurden, umzufunktionieren und das Netz mit etwa 25 bis 50 Megawatt Strom aus jeder Quelle zu versorgen.

Das Unternehmen plant, im Herbst mit Felddemonstrationen zu beginnen und dabei einen Prototyp zum Bohren von Löchern in Hartgestein an einem Standort in Marble Falls, Texas, einzusetzen. Von dort aus plant Quaise den Bau einer umfassenden Demonstrationsplattform in einem Gebiet mit hoher Geothermie in Texas. der Westen der Vereinigten Staaten.

Quaise Energy bohrte ein Loch mit einer Tiefe von 254 Zentimetern (100 Zoll) und einem Durchmesser von 2,5 cm in eine Basaltsäule, 100-mal so tief wie bei den ersten Tests des Teams, die am MIT durchgeführt wurden.Entferne die Energie

Den Tiefen entgegensehen

Obwohl Labordaten die Machbarkeit einer Ausweitung dieses Ansatzes gezeigt haben, dürften die technischen Hindernisse für den Quaise-Plan tiefer gehen als seine radikale Bohrmethode.

„Wenn sie mit Hochleistungsmikrowellen tatsächlich ein 10 km langes Loch bohren können, wäre das eine bedeutende technische Errungenschaft“, sagt Jefferson Tester, der die Gewinnung geothermischer Energie in unterirdischen Gesteinsreservoirs von der Cornell University untersucht. „Aber die Herausforderung besteht darin, diese Bohrlöcher so fertigzustellen, dass sie nicht einstürzen, insbesondere wenn man mit der Förderung von Flüssigkeiten aus dem Untergrund beginnen und das Temperaturprofil ändern möchte.

„Ein Loch zu bohren ist schon eine echte Herausforderung“, erklärt Tester. „Aber in Wirklichkeit könnte die Erschließung des Reservoirs und die sichere Gewinnung von Energie aus dem Boden noch sehr, sehr weit in der Zukunft liegen.“