La ressource énergétique sans carbone dont vous n'avez jamais entendu parler : energie superhot rock

Alors que le débat sur la décarbonisation fait rage, les graines d'une révolution tranquille de l'énergie géothermique sont semées. Comme nous l'avons décrit dans notre rapport d'octobre 2021, l'énergie des roches super chaudes offre la possibilité d'exploiter les ressources thermiques inépuisables de la terre pour produire à grande échelle de l'électricité et de l'hydrogène fermes, abordables, denses en énergie et sans carbone - des ressources énergétiques dont on a cruellement besoin pour faire face au changement climatique et à la sécurité énergétique. 

Aujourd'hui, la capacité de production d'énergie géothermique conventionnelle n'est que de 15 gigawatts (2018) à l'échelle mondiale, soit l'équivalent de seulement 15 grandes centrales électriques ! L'une des principales raisons de cette capacité limitée est que nous ne pouvons actuellement déployer la géothermie conventionnelle que dans les régions du monde qui permettent de puiser dans la vapeur naturelle provenant de la chaleur magmatique peu profonde, ce qui s'avère être une toute petite partie de la planète. C'est pour cette raison que la géothermie a été négligée, qu'elle est devenue invisible en tant que solution de décarbonisation et qu'elle a été considérée comme une ressource énergétique de niche disponible uniquement là où la croûte terrestre est mince et où la chaleur est proche de la surface - généralement là où il y a eu une activité volcanique au cours des derniers milliers d'années.   

Pour développer la production d'énergie géothermique et la redéfinir comme une ressource énergétique viable sur toute la planète, il faut généralement exploiter la chaleur à de plus grandes profondeurs, là où la roche est extrêmement chaude. Pour ce faire, les systèmes géothermiques doivent être conçus dans des roches par ailleurs sèches - sans vapeur naturelle - afin d'imiter les systèmes hydrothermaux naturels classiques alimentés en vapeur. Pour ce faire, on injecte de l'eau dans des fractures naturelles de la roche - ou éventuellement dans des systèmes en boucle fermée (l'eau reste dans une boucle de tubes souterrains) - où l'eau injectée est chauffée et renvoyée à la surface pour produire de l'énergie (voir le graphique ci-dessous). Ces "Engineered Geothermal Systems" (EGS) ont été étudiés pour la première fois au laboratoire national de Los Alamos dans les années 1970.

Les efforts de recherche et de développement actuels en matière de géothermie visent à atteindre des températures géologiques modérées, de l'ordre de 150 à 300 degrés Celsius. Les systèmes EGS n'ont pas encore fait l'objet d'une démonstration et d'une commercialisation complètes, en grande partie parce que les investissements nécessaires en matière d'ingénierie n'ont pas encore été réalisés pour en faire des sources d'énergie évolutives et abordables. energie superhot rock pourrait être une extension encore plus chaude et profonde de l'EGS, ciblant des températures de l'ordre de 400 à 450 degrés Celsius, mais transportant jusqu'à la quantité d'énergie à la surface qu'un puits conventionnel à plus basse température ou qu'un puits EGS prévu. dix fois la quantité d'énergie à la surface qu'un puits conventionnel à plus basse température ou qu'un puits EGS prévu. Cette énergie supérieure d'un ordre de grandeur par puits signifie qu'il faut moins de puits pour une centrale électrique commerciale, et plus de revenus pour compenser les coûts de forage et de construction de puits plus profonds, afin de rendre les centrales à roche superhot économiquement compétitives.  

Les opportunités et la proposition de valeur pour energie superhot rock sont impressionnantes pour les raisons suivantes :  

• La chaleur inépuisable de la Terre est déjà disponible sous nos pieds, partout dans le monde - ce qui signifie que cette ressource énergétique pourrait être accessible dans le monde entier grâce à des technologies innovantes de forage très profond. 
• energie superhot rock Les centrales électriques seraient denses en énergie, n'occupant qu'une petite surface au sol avec un rendement énergétique élevé. Elles accéderaient à des couches de roches chaudes contenant des kilomètres d'épaisseur de roche réservoir potentielle (par rapport, par exemple, aux dizaines de mètres de réservoir typiques du pétrole et du gaz). Le site energie superhot rock pourrait ainsi fournir une énergie ferme pratiquement illimitée et, dans le même temps, renforcer la sécurité énergétique des régions. 
• L'électricité et les températures élevées de la roche super chaude pourraient être exploitées pour produire de l'hydrogène par électrolyse à haute température, un carburant sans carbone qui pourrait être essentiel pour décarboniser les parties difficiles à électrifier du secteur des transports et d'autres secteurs. 
• energie superhot rock permet de réutiliser les centrales fossiles existantes en remplaçant leurs systèmes de combustion du charbon, du pétrole ou du gaz par de la vapeur super chaude pour faire fonctionner leurs turbines de production d'énergie. 

À l'heure actuelle, environ 30 puits energie superhot rock atteignant des conditions super chaudes supérieures à 400 degrés Celsius ont été forés dans le monde, tous dans des zones géothermiques volcaniques - mais aucune énergie n'a encore été produite à partir de ressources hydrothermales (eau géologique naturelle) super chaudes.  

Alors, quels sont les obstacles qui nous empêchent d'exploiter cette ressource énergétique aujourd'hui ?

La production d'énergie aux températures extrêmement élevées et aux profondeurs prévues pour les systèmes de roches super-chaudes pose actuellement des défis d'ingénierie qui nécessiteront le type d'innovation rapide qui a accéléré la production de pétrole et de gaz de schiste en seulement une décennie dans les années 2000. Ces innovations pour les conditions extrêmes du sous-sol comprendront le forage, la construction de puits (métaux et ciments), les sondes géophysiques de fond de puits conçues pour identifier les zones perméables ou fracturées spécifiquement dans les roches dures, les méthodes de développement des réservoirs de chaleur évitant les risques de tremblement de terre, et les installations de production d'énergie en surface avec des turbines spéciales pour générer de l'électricité à partir de la vapeur superchaude/supercritique. En effet, des progrès ont été réalisés au cours de la dernière décennie qui permettront de relever certains de ces défis : 

• Sélection du site (et autorisation) : Des réglementations et des autorisations rigoureuses doivent être élaborées avant la commercialisation, afin d'identifier uniquement les endroits les plus sûrs et les plus intéressants pour l'implantation des projets, accompagnés d'exigences relatives au forage, au tubage, aux opérations et à la surveillance de la subsurface, similaires aux réglementations relatives au stockage géologique du_CO2 dans le cadre du programme américain Underground Injection Control Rule Class VI. CATF a l'intention d'aider à diriger les efforts visant à élaborer les mesures réglementaires nécessaires au développement et à l'exploitation sûrs et efficaces des projets. 
• Forage avancé : Des entreprises aux États-Unis, en Slovaquie et en Chine ont étudié et testé de nouvelles formes de forage à énergie non mécanique qui pourraient permettre un forage rapide dans des environnements extrêmement profonds et chauds. Deux exemples de ces nouvelles technologies de forage sont le "Plasmabit" de GA Drilling et la foreuse à ondes millimétriques de Quaise, tous deux conçus pour ramollir ou faire fondre la roche cristalline dure, plutôt que d'utiliser les méthodes de contact direct ou de broyage des forets rotatifs classiques. Le forage énergétique vise non seulement un forage plus profond, mais aussi plus efficace et plus rapide, car le trépan ne devra pas être changé aussi souvent - un processus qui entraîne des temps d'arrêt considérables en profondeur. De telles méthodes de forage rapide et très profond pourraient répandre le site energie superhot rock dans le monde entier, raison pour laquelle certains appellent le site energie superhot rock "la géothermie partout". En outre, des méthodes de forage directionnel dans la roche dure doivent être développées pour configurer et orienter les puits de manière optimale dans le sous-sol. 
• Télédétection avancée (en fond de trou) : Les sondes géophysiques sont essentielles à l'identification des zones de perméabilité naturelle des fractures. Bon nombre des outils actuels sont adaptés au pétrole et au gaz à basse température dans les roches sédimentaires, une géologie très différente de celle des roches dures "cristallines", c'est-à-dire les roches métamorphiques et ignées. L'adaptation de ces outils existants et la mise au point de nouveaux outils capables de résister à des conditions extrêmes mais aussi de fournir des données utiles à l'identification de zones productives potentielles pour le développement de réservoirs sont en cours. 
• Construction des puits : L'une des principales raisons de l'échec des puits actuels dans des conditions de surchauffe est l'incapacité des métaux et du ciment à résister aux hautes températures. L'industrie géothermique s'est efforcée de changer cela, notamment dans le cadre de projets soutenus par l'UE tels que DEEPEN. 
• Développement de réservoirs : L'un des principaux défis auxquels est confronté le site energie superhot rock est la création de systèmes de réservoirs souterrains à travers lesquels l'eau peut être injectée, chauffée et ramenée à la surface en toute sécurité sans créer d'activité sismique nuisible. Les méthodes envisagées comprennent l'identification et l'utilisation des fractures existantes, combinées à des techniques de stimulation telles que l'hydroshearing, qui pourrait créer une perméabilité des fractures auto-provoquées. Un choc thermique pourrait également améliorer les fractures, simplement par l'injection d'eau froide dans une roche chaude. De plus, il est prouvé que les roches super-chaudes existent en fait dans un état plus "plastique" - moins cassant, une zone morte géophysique et sismique. Si les fractures existantes peuvent être stimulées dans cette zone, la création d'un réservoir peut présenter peu de risques sismiques, comme décrit ci-dessous. La réduction du risque de sismicité induite est un objectif du projet FORGE du ministère américain de l'énergie. De même, le programme DEEP de l'UE s'est également efforcé d'aborder le risque sismique dans les systèmes géothermiques artificiels. Trois approches peuvent aider les roches superhot à éviter les tremblements de terre induits. Tout d'abord, le projet japonais Beyond Brittle a permis de comprendre les propriétés des roches à haute température dans ce que l'on appelle la "transition fragile-ductile", une zone située dans les profondeurs de la terre où la roche est plus malléable et moins sensible aux fractures et aux failles. La seconde est l'identification et l'utilisation des zones fracturées existantes dans la roche. Plutôt que de créer de nouvelles fractures dans une roche profonde (ce qui peut être impossible à faire à grande profondeur), les zones fracturées existantes pourraient être dilatées sans qu'il soit nécessaire de procéder à de nouvelles fracturations. Troisièmement, plusieurs sociétés, comme Eavor, développent des systèmes géothermiques souterrains en boucle fermée qui pourraient injecter et produire de l'eau sans aucune fracture. Cette technologie, qui ressemble à un radiateur souterrain, est testée aujourd'hui dans des roches à des températures beaucoup plus basses. Enfin, et c'est important, la réduction des risques nécessitera également la codification des meilleures pratiques de sélection et de surveillance des sites dans les autorisations réglementaires (voir ci-dessous), de sorte que les projets de roches super chaudes ne soient pas autorisés dans des contextes géologiques présentant des failles et des risques sismiques.
• Installations de surface avancées : Les projets initiaux permettront à l'eau super chaude de se transformer en vapeur utilisée dans les usines commerciales actuelles. Mais pour exploiter tout le potentiel énergétique de l'eau supercritique/superchaude, des turbines à haute température/haute pression seront nécessaires. On peut y parvenir en adaptant les turbines supercritiques déjà utilisées dans les unités de production d'électricité fossile. L'eau injectée n'est pas susceptible de contenir les mêmes minéraux dissous potentiellement perturbateurs que les systèmes super-chauds naturels tels que ceux que l'on trouve en Islande. Néanmoins, une purification de l'eau peut être nécessaire pour éliminer la silice qui pourrait potentiellement provoquer une corrosion susceptible d'affecter les installations de surface et éventuellement de boucher les réservoirs. 

Nous avons besoin d'une preuve de concept réussie pour energie superhot rock et de démonstrations de production d'énergie dans les 5 à 10 prochaines années pour prouver le potentiel de cette technologie.

Un de ces projets possibles, le projet Newberry d'Alta Rock Energy dans l'Oregon, est prêt à approfondir un puits existant de 3 000 mètres de profondeur et 330 degrés Celsius à 4 500 mètres de profondeur avec energie superhot rock des conditions supérieures à 400 degrés Celsius pour démontrer la production d'énergie. Un financement supplémentaire est nécessaire de toute urgence pour que ce projet puisse aller de l'avant et CATF plaide activement pour que le gouvernement fédéral des États-Unis soutienne le projet de démonstration.  

En Europe, deux puits du Iceland Deep Drilling Project (IDDP) ont été forés dans des roches super chaudes dont la température dépasse 400 degrés Celsius. Les tests effectués sur le puits "Krafla" ont montré qu'un puits pouvait produire 35 mégawatts (MW) d'énergie, contre 3 à 7 MW pour un puits géothermique commercial typique à plus basse température.  

Bien que plusieurs de ces projets de forage de roches superhot aient été menés à bien dans le monde au cours de la dernière décennie, la coordination est insuffisante et il n'existe aucune feuille de route claire pour démontrer, mettre à l'échelle et commercialiser la technologie. De plus, le financement des projets de roches superhot a été faible et dépendant des vents politiques, reléguant ainsi le développement de cette solution à haute énergie à des progrès lents et fragmentaires. 

CATFLe rôle de l'UE et les avantages inexploités de energie superhot rock 

Clean Air Task Force a réuni une équipe d'experts energie superhot rock pour aider à créer un élan et un groupe d'intérêt afin de promouvoir un écosystème de commercialisation solide pour cette nouvelle technologie énergétique innovante. Nous facilitons l'élaboration d'une feuille de route et d'une stratégie mondiales pour energie superhot rock : nous créons un groupe d'intérêt, nous entreprenons une modélisation économique de base, nous encourageons le développement de la réglementation pour les projets de roches super-chaudes et nous analysons comment energie superhot rock peut contribuer à la décarbonisation dans le futur. Nous nous efforçons d'accroître la sensibilisation en éduquant les parties prenantes, en développant des réseaux, en facilitant les marchés et en plaidant pour un investissement gouvernemental dans les démonstrations de roches superhot. Notre objectif est d'accélérer la compréhension, le soutien et le financement d'une demi-douzaine de projets de démonstration mondiaux sur energie superhot rock au cours de la prochaine décennie, afin d'accélérer la construction généralisée de centrales électriques à roche superhot d'ici 2040. Cela implique d'engager des centaines de millions à des milliards de dollars au cours de la prochaine décennie, des niveaux de financement de la même ampleur que les investissements gouvernementaux actuels dans les technologies de l'énergie nucléaire, l'hydrogène et la capture du carbone.  

Une décarbonisation profonde nécessitera une révolution dans le domaine de l'électricité propre pour remplacer la production actuelle d'énergie fossile qui ne faiblit pas. Afin de participer à une économie mondiale décarbonée, les industries de l'énergie fossile doivent solidifier leur engagement en faveur de la réduction des émissions et utiliser leurs ressources, les infrastructures existantes, le savoir-faire du sous-sol et les capitaux de financement pour soutenir le développement et la commercialisation de cette nouvelle source d'énergie terrestre.   

La nécessité de décarboniser notre système énergétique pour faire face au changement climatique est de plus en plus urgente. La demande mondiale d'énergie ne fera qu'augmenter, et nous devons aux générations futures de donner la priorité au développement de cette source d'énergie ferme, toujours disponible et renouvelable. La géothermie de roche super chaude est une solution prometteuse qui pourrait résoudre bon nombre des problèmes les plus difficiles à résoudre pour lutter contre le changement climatique. Alors, qu'attendons-nous ?