La risorsa energetica senza emissioni di anidride carbonica di cui non hai mai sentito parlare: l'energia ottenuta dalla roccia supercalda

Mentre il dibattito sulla decarbonizzazione infuria, si stanno gettando i semi di una silenziosa rivoluzione energetica geotermica. Come descritto nel nostro rapporto dell'ottobre 2021, l'energia da rocce super calde ha il potenziale per attingere alle inesauribili risorse di calore della Terra per generare energia e idrogeno su larga scala, a prezzi accessibili, ad alta densità energetica e a zero emissioni di carbonio - risorse energetiche di cui c'è grande bisogno per affrontare i cambiamenti climatici e la sicurezza energetica. 

Oggi la capacità di produzione di energia geotermica convenzionale si attesta a soli 15 gigawatt (2018) a livello globale, l'equivalente di appena 15 grandi centrali elettriche! Una delle ragioni principali di questa capacità limitata è che attualmente possiamo utilizzare la geotermia convenzionale solo nelle regioni globali che consentono di attingere al vapore naturale proveniente dal calore magmatico poco profondo, che risulta essere una porzione molto piccola del pianeta. Per questo motivo, la geotermia è stata trascurata, di fatto invisibile come soluzione per la decarbonizzazione e considerata una risorsa energetica di nicchia disponibile solo dove la crosta terrestre è sottile e il calore è vicino alla superficie, in genere dove c'è stata attività vulcanica nelle ultime migliaia di anni.   

Per espandere la produzione di energia geotermica e ridefinirla come una valida risorsa ad alta energia in tutto il pianeta, il calore deve essere sfruttato da profondità maggiori, dove la roccia è estremamente calda. A tal fine, i sistemi geotermici devono essere progettati in rocce altrimenti asciutte - senza vapore naturale - per emulare i sistemi idrotermali naturali convenzionali. Ciò avviene iniettando acqua nelle fratture naturali della roccia - o eventualmente in sistemi a circuito chiuso (l'acqua rimane in un anello di tubature del sottosuolo) - dove l'acqua iniettata viene riscaldata e riportata in superficie per la produzione di energia (vedi grafico sotto). Questi "sistemi geotermici ingegnerizzati" (EGS) sono stati studiati per la prima volta al Los Alamos National Laboratory negli anni Settanta.

Gli attuali sforzi di ricerca e sviluppo in materia di EGS mirano a temperature geologiche moderate, comprese tra 150 e 300 gradi Celsius. I sistemi EGS devono ancora essere pienamente dimostrati e commercializzati, in gran parte perché non sono ancora stati fatti i necessari investimenti in ingegneria per trasformarli in fonti di energia scalabili e accessibili. energia superhot rock ha il potenziale per essere un'estensione ancora più calda e profonda dell'EGS, puntando a temperature dell'ordine di 400-450 gradi Celsius, ma portando in superficie una quantità di energia pari a quella di un pozzo convenzionale a più bassa temperatura o di un pozzo EGS previsto. dieci volte quantità di energia in superficie pari a quella di un pozzo convenzionale a temperatura inferiore o di un pozzo EGS previsto. Questa energia superiore di un ordine di grandezza per pozzo significa un minor numero di pozzi necessari per un impianto di energia commerciale e maggiori entrate per compensare i costi di perforazione e di costruzione dei pozzi più profondi, in modo da rendere economicamente competitivi gli impianti di roccia supercalda.  

Le opportunità e la proposta di valore di energia superhot rock sono notevoli per i seguenti motivi:  

• Il calore inesauribile della Terra è già disponibile sotto i nostri piedi, in tutto il mondo, il che significa che questa risorsa energetica potrebbe essere accessibile in tutto il mondo attraverso tecnologie innovative di trivellazione super-profonda. 
• energia superhot rock Le centrali elettriche sarebbero ad alta densità energetica, occupando solo una piccola superficie con un'elevata produzione di energia. Accederebbe a strati di roccia calda con uno spessore di chilometri di potenziale roccia serbatoio (rispetto, ad esempio, alle decine di metri di giacimento tipico di petrolio e gas). Ciò conferisce a energia superhot rock il potenziale per fornire energia ferma e virtualmente illimitata e, allo stesso tempo, aumentare la sicurezza energetica nelle varie regioni. 
• L'elettricità e le alte temperature delle rocce superhot potrebbero essere sfruttate per produrre idrogeno attraverso l'elettrolisi ad alta temperatura, un combustibile a zero emissioni di carbonio che potrebbe essere fondamentale per decarbonizzare le porzioni difficili da elettrificare del settore dei trasporti e di altri settori. 
• energia superhot rock ha il potenziale per riconvertire gli impianti fossili esistenti sostituendo i loro sistemi di combustione del carbone, del petrolio o del gas con vapore supercaldo per far funzionare le turbine che generano energia. 

Attualmente, in tutto il mondo sono stati perforati circa 30 pozzi energia superhot rock che raggiungono condizioni di temperatura superiore a 400 gradi Celsius, tutti in aree geotermiche vulcaniche, ma non è ancora stata prodotta energia da risorse idrotermali (acqua geologica naturale) superhot.  

Quali sono dunque gli ostacoli che ci impediscono di sfruttare questa risorsa energetica oggi?

La produzione di energia alle temperature estremamente elevate e alle profondità previste per i sistemi di rocce superhot pone attualmente sfide ingegneristiche che richiederanno il tipo di innovazione rapida che ha accelerato la produzione di petrolio e gas dagli scisti in un solo decennio negli anni 2000. Tali innovazioni per le condizioni estreme del sottosuolo comprenderanno la perforazione, la costruzione dei pozzi (metalli e cementi), le sonde geofisiche in profondità progettate per identificare le zone permeabili o fratturate specificamente nelle rocce dure, i metodi di sviluppo dei giacimenti termici che evitano il rischio sismico e gli impianti di produzione di energia in superficie con turbine speciali per generare elettricità dal vapore supercaldo/supercritico. Nell'ultimo decennio sono stati compiuti progressi che consentiranno di affrontare alcune di queste sfide: 

• Selezione del sito (e permessi): Prima della commercializzazione devono essere sviluppati regolamenti e permessi rigorosi che identifichino solo i luoghi più sicuri e di maggior valore per l'ubicazione dei progetti, accompagnati da requisiti per la perforazione, il rivestimento, le operazioni e il monitoraggio del sottosuolo simili ai regolamenti per lo stoccaggio geologico_{di CO2} nel programma Underground Injection Control Rule Class VI degli Stati Uniti. CATF intende contribuire a guidare gli sforzi per sviluppare le misure normative necessarie per lo sviluppo e le operazioni sicure ed efficaci dei progetti. 
• Perforazione avanzata: Aziende negli Stati Uniti, in Slovacchia e in Cina stanno studiando e testando nuove forme di perforazione a energia non meccanica che potrebbero consentire una rapida perforazione in ambienti estremamente profondi e caldi. Due esempi di queste nuove tecnologie di perforazione sono il "Plasmabit" di GA Drilling e la trivella a onde millimetriche di Quaise, entrambe progettate per ammorbidire o fondere la roccia cristallina dura, piuttosto che il contatto diretto o i metodi di macinazione delle punte rotanti convenzionali. La perforazione energetica mira non solo a una maggiore profondità, ma anche a una perforazione più efficiente e veloce, perché la punta non dovrà essere cambiata così spesso, un processo che comporta notevoli tempi di inattività in profondità. Metodi di perforazione rapidi e super-profondi come questi potrebbero diffondere energia superhot rock in tutto il mondo, il motivo per cui alcuni chiamano energia superhot rock "geotermia ovunque". Inoltre, è necessario sviluppare metodi di perforazione direzionale in roccia dura per configurare e orientare in modo ottimale i pozzi nel sottosuolo. 
• Telerilevamento avanzato (downhole): Le sonde geofisiche sono fondamentali per l'identificazione delle aree di permeabilità naturale delle fratture. Molti degli strumenti odierni sono stati adattati per la ricerca di petrolio e gas a bassa temperatura in rocce sedimentarie, una geologia molto diversa da quella delle rocce dure "cristalline", cioè metamorfiche e ignee. Si stanno sviluppando adattamenti di questi strumenti esistenti e nuovi strumenti in grado di resistere a condizioni estreme, ma anche di fornire dati utili all'identificazione di zone potenzialmente produttive per lo sviluppo dei giacimenti. 
• Costruzione del pozzo: Una delle ragioni principali del fallimento dei pozzi odierni in condizioni di supercombustione è l'incapacità dei metalli e del cemento di resistere alle alte temperature. L'industria geotermica ha lavorato per cambiare questa situazione, soprattutto nell'ambito di progetti sostenuti dall'UE come DEEPEN. 
• Sviluppo dei giacimenti: Una delle sfide principali che il sito energia superhot rock deve affrontare è la creazione di sistemi di giacimenti sotterranei attraverso i quali l'acqua possa essere iniettata, riscaldata e riportata in superficie in modo sicuro senza creare attività sismica dannosa. I metodi presi in considerazione includono l'identificazione e l'utilizzo delle fratture esistenti, combinate con tecniche di stimolazione come l 'hydroshearing, che potrebbe creare una permeabilità delle fratture autoprodotta. Anche lo shock termico potrebbe migliorare le fratture, semplicemente iniettando acqua fredda nella roccia calda. Inoltre, è dimostrato che la roccia supercalda esiste in realtà in uno stato più "plastico" - una zona morta geofisica e sismica meno fragile. Se è possibile stimolare le fratture esistenti in questa zona, la creazione del giacimento può comportare un rischio sismico minimo, come descritto di seguito. La riduzione del rischio di sismicità indotta è un obiettivo del progetto FORGE del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Allo stesso modo, anche il programma DEEP dell'UE si sta impegnando per affrontare il rischio sismico nei sistemi geotermici ingegnerizzati. Tre approcci possono aiutare le rocce superhot a evitare i terremoti indotti. In primo luogo, il Japan Beyond Brittle Project ha guidato la comprensione delle proprietà delle rocce ad alte temperature in quella che viene definita la "transizione fragile-duttile", una zona profonda della terra in cui la roccia è più malleabile e meno suscettibile di fratture e faglie. La seconda è l'identificazione e l'utilizzo delle zone di frattura esistenti nella roccia. Piuttosto che creare nuove fratture nella roccia profonda (cosa che potrebbe essere impossibile a grande profondità), le zone fratturate esistenti potrebbero essere dilatate senza bisogno di nuove fratture. In terzo luogo, diverse aziende come Eavor stanno sviluppando sistemi geotermici a circuito chiuso nel sottosuolo che potrebbero iniettare e produrre acqua senza fratture. Questa tecnologia, che assomiglia a un radiatore sotterraneo, viene testata oggi in rocce a temperature molto più basse. Infine, e soprattutto, la riduzione del rischio richiederà anche la codifica delle migliori pratiche di selezione e monitoraggio del sito nelle autorizzazioni normative (vedi sotto), in modo che i progetti di roccia supercalda non siano autorizzati in contesti geologici con faglie esistenti e rischio sismico.
• Impianti di superficie avanzati: I progetti iniziali consentiranno all'acqua supercalda di espandersi in vapore utilizzato negli attuali impianti commerciali. Tuttavia, per sfruttare appieno il potenziale energetico dell'acqua supercritica/supercalda, saranno necessarie turbine ad alta temperatura/alta pressione. Questo può essere ottenuto adattando le turbine supercritiche già in uso nelle unità di generazione di elettricità fossile. È probabile che l'acqua iniettata non contenga gli stessi minerali disciolti potenzialmente dannosi dei sistemi supercaldi naturali, come quelli presenti in Islanda. Tuttavia, potrebbe essere necessaria la purificazione dell'acqua per rimuovere la silice che potrebbe causare la corrosione delle strutture di superficie ed eventualmente dei serbatoi. 

Per dimostrare il potenziale di questa tecnologia abbiamo bisogno di un proof-of-concept di successo per energia superhot rock e di dimostrazioni di produzione di energia nei prossimi 5-10 anni.

Uno di questi possibili progetti, il progetto Newberry di Alta Rock Energy in Oregon, è pronto ad approfondire un pozzo esistente da 3.000 metri di profondità e 330 gradi Celsius a 4.500 metri di profondità con condizioni energia superhot rock superiori a 400 gradi Celsius per dimostrare la produzione di energia. Per portare avanti questo progetto è urgente un finanziamento supplementare e CATF si sta adoperando attivamente per ottenere dal governo federale degli Stati Uniti il sostegno al progetto dimostrativo.  

In Europa, due pozzi dell'Iceland Deep Drilling Project (IDDP) sono stati perforati in rocce super-calde con temperature superiori a 400 gradi Celsius. I test del pozzo "Krafla" hanno suggerito la disponibilità di ben 35 megawatt (MW) di energia per pozzo, rispetto a un tipico pozzo geotermico commerciale a bassa temperatura che produce 3-7 MW.  

Sebbene nell'ultimo decennio siano stati portati a termine diversi progetti di perforazione di rocce superhot in tutto il mondo, il coordinamento è inadeguato e manca una chiara tabella di marcia per dimostrare, scalare e commercializzare la tecnologia. Inoltre, i finanziamenti per i progetti sulle rocce superhot sono stati scarsi e dipendenti dai venti politici, relegando così lo sviluppo di questa soluzione ad alta energia a un progresso lento e frammentario. 

CATFe i benefici non sfruttati di energia superhot rock 

Clean Air Task Force ha riunito un team di esperti energia superhot rock per contribuire a dare slancio e a creare un'associazione per promuovere un solido ecosistema di commercializzazione di questa nuova tecnologia energetica innovativa. Stiamo facilitando una roadmap globale di energia superhot rock e lo sviluppo di una strategia: costruire un gruppo di interesse, intraprendere una modellazione economica di base, promuovere lo sviluppo normativo per i progetti di rocce superhot e analizzare come energia superhot rock possa contribuire alla decarbonizzazione in futuro. Stiamo lavorando per aumentare la consapevolezza educando le parti interessate, sviluppando reti, facilitando i mercati e sostenendo gli investimenti governativi nelle dimostrazioni di rocce superhot. Il nostro obiettivo è accelerare la comprensione, il sostegno e il finanziamento di una mezza dozzina di progetti dimostrativi globali energia superhot rock nel prossimo decennio, al fine di accelerare la costruzione di centrali elettriche a roccia superhot entro il 2040. Ciò significherà impegnare centinaia di milioni o miliardi di dollari nel prossimo decennio, con livelli di finanziamento pari agli attuali investimenti governativi nelle tecnologie dell'energia nucleare, dell'idrogeno e della cattura del carbonio.  

La decarbonizzazione profonda richiederà una rivoluzione nell'energia elettrica pulita per sostituire l'attuale generazione fossile ininterrotta. Per partecipare a un'economia globale decarbonizzata, le industrie dell'energia fossile devono consolidare il loro impegno per la riduzione delle emissioni e utilizzare le loro risorse, le infrastrutture esistenti, il know-how del sottosuolo e il capitale di finanziamento per sostenere lo sviluppo e la commercializzazione di questa nuova fonte di energia terrestre.   

La necessità di decarbonizzare il nostro sistema energetico per affrontare il cambiamento climatico diventa sempre più urgente. La domanda globale di energia è destinata ad aumentare e dobbiamo alle generazioni future dare priorità allo sviluppo di questa fonte di energia solida, sempre attiva e rinnovabile. La geotermia da rocce superhot è una soluzione promettente che potrebbe risolvere molte delle sfide più difficili per affrontare il cambiamento climatico. Quindi, cosa stiamo aspettando?