انرژی زمین گرمایی نسل بعدی: وعده، پیشرفت و چالش ها | اخبار MIT

انرژی زمین گرمایییک منبع انرژی پاک و پیوسته که در بسیاری از مکان‌ها قابل دسترسی است، به کندی پیدا شده است. نزدیک به 2000 سال پیش، رومی ها از انرژی زمین گرمایی – گرمای زمین – از جمله در مجتمع آبگرم در باث امروزی انگلستان استفاده گسترده ای کردند. برق برای اولین بار از منابع زمین گرمایی در اوایل دهه 1900 در ایتالیا تولید شد. در ایالات متحده، میدان زمین گرمایی Geysers در کالیفرنیا در سال 1960 شروع به تولید برق در مقیاس کرد و امروزه به طور معمول بیش از 725 مگاوات برق پایه تولید می کند.

بر اساس گزارش آژانس بین المللی انرژی (IEA)، انرژی زمین گرمایی هنوز کمتر از 1 درصد تقاضای جهانی برق را تامین می کند، اگرچه کشورهایی مانند کنیا (بیش از 40 درصد تولید برق) و ایسلند (نزدیک به 30 درصد برق و 90 درصد گرمایش) مورد استقبال گسترده قرار گرفته اند.

در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های تکنولوژیکی، هجوم سرمایه‌های خصوصی و تغییر سیاست‌های انرژی و زیست‌محیطی، علاقه‌ای دوباره به توسعه توسعه انرژی زمین‌گرمایی را برانگیخته است. اگر هزینه های پروژه به کاهش ادامه یابد، آژانس بین المللی انرژی پیش بینی می کند که انرژی زمین گرمایی می تواند 15 درصد از رشد تقاضای برق جهانی را بین سال های 2024 تا 2050 برآورده کند. بسیاری از کشورها از جمله ایالات متحده، اندونزی، نیوزلند و ترکیه، گسترش انرژی زمین گرمایی را به عنوان بخشی از استراتژی های انرژی گسترده تر خود در اولویت قرار داده اند.

دستیابی به تولید برق در مقیاس بزرگ از منابع زمین گرمایی به گسترش چشمگیر به اصطلاح زمین گرمایی نسل بعدی بستگی دارد. این به ضربه زدن گرما از سنگ های منشا در دمای 100 درجه سانتیگراد تا بیش از 400 درجه سانتیگراد، اغلب در اعماق چند کیلومتری زیر سطح اشاره دارد. ماه گذشته، جیک اوچینکلاس، نماینده کنگره آمریکا (D-MA) و نماینده مارک آمودی (R-NV) قوانین دو حزبی را برای ترویج تحقیق، آزمایش و توسعه یک نوع انرژی زمین گرمایی نسل بعدی که به عنوان سنگ فوق داغ شناخته می شود، معرفی کردند.

انرژی زمین گرمایی در MIT

از طریق رهبری خود در تولید اثر تاثیرگذار 2006 “آینده انرژی زمین گرماییگزارشی که توسط جف تستر، پروفسور سابق MIT رهبری شد، MIT و سلف MIT Energy Initiative (MITEI) دو دهه پیش نقش مهمی در استراتژی ملی زمین گرمایی ایفا کردند. در سال 2008، محققان مرکز علوم و فیوژن پلاسما (PSFC) حفاری موج میلی متری را اختراع کردند. تاسیسات زمین گرمایی در سنگ های فوق داغ و عمیق، توسط MIT spinout تجاری می شود Quaise Energy.

MITEI از طریق مرکز سیستم های انرژی آینده خود از پروژه های زمین گرمایی نسل بعدی حمایت می کند. الف پروژه به رهبری پابلو دوئناس مارتینز، دانشمند تحقیقاتی MITEI، بر اقتصاد فنی تولید برق از یک نیروگاه زمین گرمایی که با یک مرکز داده مشترک است، تمرکز دارد، موضوعی به موقع با توجه به گسترش قراردادهای خرید برق مرکز داده برای برق تولید شده توسط انرژی زمین گرمایی. MITEI در 4 مارس سمپوزیوم بهار تمرکز بر انرژی زمین گرمایی بعدی برای تولید نیروی قوی، و بسیاری از شرکت‌های پیشرو در اکتشاف، حفاری، توسعه مخازن و فناوری پیشرفته که در این زمینه کار می‌کنند، پانل‌ها و سخنرانان را فرستادند. در 5 مارس، MITEI با نیروی ویژه هوای پاک (CATF) برای میزبانی مشترک اجلاس ژئوتک، که به بررسی تسریع توسعه فناوری و سرمایه‌گذاری در نسل بعدی زمین گرمایی می‌پردازد، همکاری کرد.

برای آماده شدن برای سمپوزیوم اخیر، MITEI یک اردوی راه انداز زمین گرمایی در طول دوره فعالیت های مستقل MIT (IAP) ترتیب داد که بیش از 40 عضو جامعه MIT را با مبانی زمین گرمایی، فناوری های کلیدی و تحقیقات مرتبط MIT آشنا کرد. کارولین روپل، معاون مدیر علم و فناوری MITEI و برگزارکننده بوت کمپ و سمپوزیوم بهار IAP، می‌گوید: «شرکت‌های عضو MITEI که صداهای پیشرو در زمینه انرژی، تولید برق، زیرساخت‌ها، صنایع سنگین و فناوری دیجیتال را نمایندگی می‌کنند، به طور فزاینده‌ای در مورد علاقه‌شان به نسل بعدی زمین گرمایی به ما نزدیک می‌شوند. پروژه ها در آزمایشگاه منابع زمین به بستر آزمایش موج میلیمتری توسط PSFC و همکارانش در MIT، پروژه‌های فردی در بخش‌های دانشگاهی و البته کاری که MITEI تأمین مالی کرده است، توسعه یافته است.»

مبانی زمین گرمایی

دمای چند ده متر زیر زمین معمولاً در تمام طول سال پایدار است. در برخی نقاط، این دماها در زمستان گرمتر از سطح زمین و در تابستان خنک تر است، که امکان استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی تا دمای متوسط ​​را در ساختمان ها در طول سال فراهم می کند. مرکز 19 طبقه محاسبات و علوم داده دانشگاه بوستون، مشرف به رودخانه چارلز، 90 درصد از نیازهای گرمایشی و سرمایشی خود را با استفاده از این نوع سیستم زمین گرمایی برآورده می کند. در مقیاس موسسات بزرگ یا کل شهرها، شبکه‌های حرارتی، گرمایش منطقه‌ای و سایر رویکردها می‌توانند گرما را از منابع کم عمق زمین گرمایی بدون تولید گازهای گلخانه‌ای تامین کنند.

بهره برداری از منابع زمین گرمایی گرمتر و معمولا عمیق تر می تواند مقادیر زیادی برق را برای چندین دهه در یک سایت واحد تولید کند. نسل بعدی زمین گرمایی اصطلاحی است که برای این سیستم‌های با دمای بالاتر که با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، پیشرفته و فوق‌گرم توسعه یافته‌اند به کار می‌رود. زمین گرمایی پیشرفته به گردش سیالات از طریق سیستم های شکست مهندسی شده در سنگ های عمیق و خشک با نفوذپذیری بومی نسبتا کم اشاره دارد. زمین گرمایی پیشرفته یک رویکرد حلقه بسته را اتخاذ می کند، که در آن یک سیال عامل با گردش آن از طریق لوله های تعبیه شده در زیر سطح گرم می شود. زمین گرمایی فوق داغ، که در مراحل ابتدایی خود است، احتمالاً از فناوری پیشرفته زمین گرمایی برای گردش آب فوق بحرانی در میان سنگ در دمای تقریباً 400 درجه سانتیگراد استفاده خواهد کرد.

نسل بعدی زمین گرمایی

حفاری به اندازه کافی عمیق و منابع با دمای بالاتر تقریباً در همه جا در زیر قاره ها وجود دارد، اما توسعه در مراحل اولیه باید بر روی امیدوار کننده ترین مکان ها متمرکز شود، جایی که روش ها و فن آوری ها برای دستیابی به این سنگ های داغ تر را می توان آزمایش و تصفیه کرد. مکان هایی مانند ایسلند و ایالت نوادا در جنوب غربی ایالات متحده، جایی که صفحات تکتونیکی در حال جدا شدن هستند یا لایه بیرونی زمین در حال نازک شدن است، نسبت به مناطقی مانند شمال شرقی ایالات متحده که پوسته زمین قدیمی، ضخیم و سردتر است، دمای گرم تری به سطح نزدیکتر دارند. با این حال، حتی در جنوب غربی ایالات متحده، رسیدن به دمای بالای مورد نیاز برای تولید الکتریسیته از طریق سیستم‌های زمین گرمایی، مستلزم حفاری معمولی تا عمق بیش از 4 کیلومتر در سنگ‌های کریستالی است. این به طور قابل توجهی چالش برانگیزتر از حفاری در حوضه های رسوبی است که میزبان بیشتر ذخایر نفت و گاز جهان است.

برای اینکه یک مکان برای نصب نسل بعدی زمین گرمایی مناسب باشد، نه تنها به گرما، بلکه به یک سیال (معمولاً آب) برای حمل گرما نیاز دارد. آب گردش شده از طریق سازند سنگ برای استخراج گرما می تواند به طور طبیعی وجود داشته باشد یا از جای دیگری آورده شود و به مخزن تزریق شود. این نوع سیستم همچنین به نفوذپذیری متصل مانند شبکه شکست مهندسی جهت جلوگیری از تلفات قابل توجه سیال و هدایت سیال به سمت چاه استخراج نیاز دارد. سیستم های حلقه بسته (پیشرفته) آب در حال گردش آزاد را با یک سیال کاری که ویژگی های حرارتی مطلوبی دارد و در لوله کشی محدود می شود، جایگزین می کند.

روش‌های مختلف ژئوفیزیکی برای یافتن مکان‌هایی با گرمای کافی در چند کیلومتری سطح مورد استفاده قرار می‌گیرد، که پیش نیازی برای توسعه آنها به عنوان تاسیسات زمین گرمایی نسل بعدی است. جدا از اندازه‌گیری مستقیم دما در گمانه‌های آزمایشی، مقاومت الکتریکی و بررسی‌های مغناطیسی تلوریک از جمله مفیدترین موارد برای استنتاج رژیم‌های دمای زیرسطحی هستند. هر دو روش ساختار هدایت الکتریکی را در زیر زمین استنباط می‌کنند که امکان شناسایی سنگ‌های نسبتاً گرم‌تر و نفوذپذیرتر را فراهم می‌کند.

حفاری اغلب وقت گیرترین و پرهزینه ترین بخش آماده سازی یک سایت برای یک نیروگاه زمین گرمایی است. این امر به ویژه برای نسل بعدی زمین گرمایی صادق است، جایی که اهداف می توانند عمیق باشند یا طراحی سیستم ممکن است به حفاری افقی در مقیاس بزرگ نیاز داشته باشد. در چند سال گذشته، نوآوری های متعدد نرخ حفاری و اعماق و دمای قابل دستیابی را افزایش داده و همچنین هزینه ها را کاهش داده است. اندرو اینگلیس، سازنده کانال های زمین گرمایی در MIT Proto Ventures می گوید، با این وجود، حتی با بررسی های ژئوفیزیکی با کیفیت بالا، «شما ممکن است 10 میلیون دلار برای یک چاه اکتشافی خرج کنید و گرما پیدا نکنید.

زمین گرمایی فوق داغ، یک رویکرد زمین گرمایی نسل بعدی که به سرعت در حال پیشرفت است، چالش های ویژه ای را ارائه می دهد. ابزارهای حفاری فلزی، سنگ‌های سازند و سیالات در گردش، همگی در دماهای چند صد درجه رفتار متفاوتی دارند و روش‌های استاندارد، مواد و حسگرها باید به طور قابل توجهی اصلاح شوند تا شرایط سخت را تحمل کنند. هنگامی که دما در یک گمانه حتی به عمق 1 کیلومتر از 374 درجه سانتیگراد فراتر رفت، آب به حالت فوق بحرانی می رسد. این مزیت های قابل توجهی برای استخراج گرما از سازند دارد، اما شبح خوردگی سریع فلز و رسوب نمک ها و سیلیس را معرفی می کند که می تواند به سرعت یک گمانه را خنثی کند. محققان در حال بررسی جایگزینی دی اکسید کربن فوق بحرانی به جای آب به عنوان سیال کاری برای زمین گرمایی فوق داغ هستند.

نوآوری های MIT در حال پیشبرد نسل بعدی زمین گرمایی

فناوری حفاری موج میلی متری که در PSFC اختراع شده و توسط Quaise Energy تجاری شده است، بالاترین مشخصات نسل بعدی نوآوری زمین گرمایی است که از MIT تاکنون ظهور کرده است. فناوری موج میلی‌متری از انرژی مایکروویو برای تبخیر سنگ استفاده می‌کند و می‌تواند چندین برابر سریع‌تر از حفاری معمولی باشد. PSFC و یک تیم چند رشته ای MIT در حال طراحی یک آزمایشگاه اختصاصی مطالعه چگونگی برهمکنش حفاری موج میلیمتری با سنگ کریستالی در شرایط فشار و دمای واقعی، و آزمایش بهبود فناوری موجود. استیو ووکیچ، مدیر موقت و دانشمند تحقیقاتی اصلی در PSFC، خاطرنشان می‌کند که “تاسیساتی که ما در MIT می‌سازیم به ما امکان می‌دهد نمونه‌هایی را 500 برابر بزرگ‌تر از آنچه در حال حاضر ممکن است آزمایش کنیم. این گام مهمی برای بررسی فناوری‌هایی است که می‌توانند قفل انرژی زمین گرمایی فوق‌گرم را باز کنند.”

MIT Proto Venturesکه بر ایجاد استارتاپ‌های مبتنی بر فناوری اختراع شده در MIT تمرکز دارد، در حال حاضر میزبان یک کانال اختصاصی انرژی زمین گرمایی به رهبری Inglis است. Inglis از زمان ورود به MIT در اواخر سال 2024، اختراعات و تحقیقاتی را شناسایی کرده است که می تواند نسل بعدی زمین گرمایی را از رشته های متفاوتی مانند مهندسی مکانیک و مواد، علوم زمین و شیمی ارتقا دهد. نمونه‌هایی از فناوری‌هایی که از محققان MIT نشأت می‌گیرند شامل حسگرهایی هستند که ریزترک‌خوردگی را در سنگ‌های با دمای بالا اندازه‌گیری می‌کنند، آلیاژهای فلزی پیشرفته که می‌توانند سیالات فوق‌گرم را با کسری از هزینه تیتانیوم مدیریت کنند، و پوشش‌های ضد رسوب برای محافظت از لوله‌ها در برابر ژئوسیال‌های سوزاننده رایج در سیستم‌های داغ و عمیق.

سمپوزیوم بهاره MITEI

در سمپوزیوم اخیر بهار MITEI، این مبتکران MIT فناوری خود را در جلسه ای به رهبری Inglis به شرکت های عضو MITEI معرفی کردند. ووکیچ که هیئتی را در زمینه حفاری پیشرفته تعدیل می کرد، بستر آزمایشی امواج میلی متری برنامه ریزی شده را تشریح کرد و دوئناس-مارتینز هیئتی را در زمینه تولید و ذخیره انرژی رهبری کرد. ترا راجرز، مدیر انرژی زمین گرمایی سنگ فوق‌گرم در CATF و سازمان‌دهنده اجلاس مشترک زمین‌تکنولوژی CATF-MITEI در 5 مارس، بحثی را درباره سیاست‌های بین‌المللی و ایالات متحده و محیط نظارتی برای گسترش نسل بعدی زمین گرمایی رهبری کرد.

ارائه دهندگان پوستر شامل دانشجویان و محققان فارغ التحصیل MIT، D-Lab MIT، و گروه دانشجویی MIT متمرکز بر زمین گرمایی Geo@MIT بودند که با جایزه جایزه سال 2024 توسط دفتر فناوری های زمین گرمایی وزارت انرژی ایالات متحده در مسابقه سراسری جایزه دانشگاه EnergyTech شناخته شد.