як Quaise змінить майбутнє енергетики

Компанія Quaise, заснована на базі Массачусетського технологічного інституту (MIT), стверджує, що володіє планом і технологією, здатними бурити глибше, ніж будь-коли раніше. Мета – розкрити величезний резерв геотермальної енергії, яка потенційно може замінити викопне паливо для живлення електростанцій. Але як це працює і наскільки близькі розробники до втілення свого задуму?

Тепло з надр Землі

Ми всі знаємо, що ядро Землі надзвичайно гаряче, але точні масштаби цього тепла можуть дивувати. Температура в залізному осерді земного ядра оцінюється приблизно у 5 200 °C (9 392 °F). Джерелом цього тепла є розпад радіоактивних елементів і залишкове тепло від формування нашої планети. За підрахунками, 0,1% теплової енергії, що міститься під поверхнею, могло б повністю покрити енергетичні потреби людства на понад 20 мільйонів років.

Однак ключова проблема – доступ до цих ресурсів. Там, де гарячі підземні пласти залягають близько до поверхні, геотермальні станції можуть цілодобово генерувати чисту енергію без перебоїв, адже порода залишається гарячою весь час. Така ідеальна ситуація трапляється нечасто, тож зараз частка геотермальної енергії у світовому енергобалансі становить усього близько 0,3%.

Найглибші свердловини ще недостатньо глибокі

Існує ідея: якщо бурити досить глибоко, то геотермальні станції можна буде будувати фактично будь-де. Але це надзвичайно складне завдання. Товщина земної кори коливається в межах 5–75 км (3–47 миль).

Найглибша свердловина, пробурена досі, – це Кольська надглибока в Росії. Проєкт стартував 1970 року недалеко від кордону з Норвегією з амбітною метою досягти земної мантії. Одна зі свердловин сягнула 12 289 м (40 318 футів) у 1989 році, після чого її поглиблення зупинили. З’ясувалося, що температура на цій глибині становила не 100 °C, як очікувалося, а близько 180 °C (356 °F), і порода виявилася надто пористою, що ускладнило буріння. Проєкт припинили, і нині ця свердловина заварена й покинута.

Схожа історія трапилася й у Німеччині наприкінці 80-х, коли було розпочато Німецьку континентальну програму глибокого буріння (KTB). Там змогли заглибитися лише на 9 101 м (29 859 футів), перш ніж припинити роботи. Підвищені температури та надходження газів і рідин із порід знову спричинили надзвичайні труднощі.

З погляду видобування енергії, ці температури були замалими, щоб забезпечити справді вигідну геотермальну генерацію. Очевидно, для повноцінного розкриття потенціалу термального ядра Землі потрібні нові технологічні рішення.

Буріння за допомогою спрямованої енергії: можливий прорив

Коли фізичне бурове долото починає буксувати, з’являються ідеї використання потужних теплових пучків, здатних нагрівати, плавити чи навіть випаровувати гірську породу до зіткнення із самим буром. Наприклад, стартап Petra показав, як їхній «Swifty» може нагрівати і руйнувати найтвердішу породу без прямого контакту.

Ще наприкінці 90-х були військові експерименти, що демонстрували багатообіцяючий потенціал лазерного буріння, яке могло б проходити крізь гірську породу в 10–100 разів швидше, ніж звичайне. Проте лазери мають низку недоліків. За висновками Кеннета Оглесбі, президента Impact Technologies, у звіті 2014 року для Програми геотермальних технологій (Міністерство енергетики США), лазери швидко втрачають ефективність в умовах хмар пилу та твердих частинок у свердловині, до того ж вони вимагають значних витрат енергії й поки що є занадто дорогими.

Буріння ж за допомогою спрямованих міліметрових хвиль може бути іншою справою. Цю ідею запозичено з ядерної фізики, зокрема зі спроб нагрівання плазми в установках для термоядерного синтезу. Потужні гіротрони, здатні генерувати безперервні потоки міліметрових хвиль з енергією понад 1 МВт, мають низку переваг:

• менше розсіювання, ніж у лазерів,
• можливість передачі міліметрових хвиль на десятки кілометрів з ефективністю понад 90%,
• відсутність необхідності у складних механічних бурових системах у глибині,
• робота без перегріву обладнання.

За сприятливих умов гіротрон потужністю 1 МВт може забезпечити швидкість буріння до 70 метрів на годину у свердловині діаметром близько 5 см (1,97 дюйма), одночасно розплавляючи стінки і перетворюючи їх на герметичний склоподібний шар.

Quaise: шлях до «надкритичної» геотермальної енергії

Саме цим шляхом пішла компанія Quaise, заснована в 2018 році в Центрі науки про плазму і термоядерний синтез MIT. Вона пропонує гібридну схему буріння: спочатку застосовувати звичайне роторне бурове обладнання, а коли умови стають надто екстремальними для механічного долота, переходити на технологію гіротронів. Як додатковий засіб використовується аргон, що охолоджує місце буріння та виносить частинки порід на поверхню.

Quaise прагне досягти глибин у 20 км (12,4 милі). Це глибше за легендарну Кольську свердловину. Якщо ж традиційне буріння на Кольській тривало майже 20 років, то за допомогою міліметрових хвиль компанія планує виконати завдання приблизно за 100 днів (із гіротроном потужністю 1 МВт).

На таких глибинах температура становить близько 500 °C (932 °F). За таких показників вода знаходиться в надкритичному стані (вище 374 °C і 22 МПа), тож її потенціал для виробництва електроенергії зростає майже в 10 разів порівняно із «звичайними» геотермальними умовами. Надкритична вода приносить більше теплової енергії та підвищує щільність отримуваної енергії до рівня, який може конкурувати з викопним паливом.

Quaise планує максимально скористатися існуючою інфраструктурою на електростанціях, що працюють на вугіллі чи природному газі. Ці ТЕС уже мають необхідне обладнання для перетворення пари на електроенергію, до того ж підключені до електромережі й мають досвідчені команди. Заміна лише джерела тепла – з викопного палива на надкритичну геотермальну систему – може швидко перетворити їх на «зелені» об’єкти, не вимагаючи побудови нових станцій із нуля.

У 2025 році Quaise співпрацює з Nevada Gold Mines, випробовуючи свою технологію на їхніх об’єктах. Компанія також готується до масштабного раунду фінансування, щоб побудувати повноцінну демонстраційну геотермальну станцію. Мета – запустити першу переобладнану електростанцію вже до 2028 року. Потенційно таку технологію можна розгорнути у різних точках світу – всюди, де треба розкривати надглибоке тепло.

Глобальні перспективи та виклики

На сьогодні у світі функціонує приблизно 8 500 вугільних електростанцій, загальна потужність яких перевищує 2 000 ГВт. У найближчі десятиліття вони вийдуть з експлуатації або зазнають трансформації через суворіші екологічні вимоги. Якщо Quaise вдасться реалізувати свою концепцію, то ці об’єкти стануть потенційними кандидатами для переоснащення під надкритичну геотермальну енергетику.

На думку інвесторів, зокрема Prelude Ventures, технологія Quaise може стати однією з ключових ланок у рішенні «зеленої» енергетичної задачі, адже практично кожен регіон отримує можливість видобувати власну базову безвуглецеву енергію. Цей фактор також матиме важливе геополітичне значення, адже знизить залежність від викопних ресурсів та імпорту енергоносіїв.

Чи стане це вирішенням усіх проблем – покаже час. Земна кора має власні непередбачувані особливості, і надглибоке буріння може підкидати ще багато сюрпризів. Утім, якщо все складеться успішно, надкритична геотермальна енергія теоретично здатна стати доступною будь-де й забезпечити людство фактично «вічним» джерелом тепла.

За додатковими деталями про інженерні аспекти технології та ризики (наприклад, чи може таке буріння спричиняти сейсмічні явища або «випустити людей-ящірок із земного ядра») радимо звернутися до розширеного інтерв’ю з генеральним директором Quaise Карлосом Араке, яке було зроблене 2022 року.

Пропонуємо переглянути й коротке відео, де компанія пояснює свою методику.