Energia

Sempre più giù: le nuove frontiere della geotermia

Centrale geotermica in Islanda. Education Images/Universal Images Group via Getty Images 
Finora questo sistema sembrava potesse essere utilizzato solo in particolari località dove c’è forte presenza di “aree calde” sotterranee. Una nuova tecnologia di perforazione potrebbe consentire al geotermico di alimentare il mondo riducendo le emissioni
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I sistemi di energia geotermica hanno il potenziale per alimentare il mondo e diventare la tecnologia leader per ridurre le emissioni di gas serra. Il nodo che sembrava ancora irrisolto era quello di poter scavare abbastanza in profondità nella Terra per accedere alle aree calde, senza costi elevatissimi e con un potenziale pericolo per la stabilità degli strati terrestri. Quaise Inc. (una spinoff del Mit) sta sviluppando una tecnologia di perforazione fortemente innovativa e unica, in grado di arrivare fino a 20 km di profondità per raccogliere l’energia geotermica dagli strati più profondi della crosta terrestre.

Questo è il contenuto di un documento presentato da Matt Houde, fondatore di Quaise, al World Geothermal Congress (WGC) il 15 giugno scorso. Houde non solo ha descritto la tecnologia dell'azienda, che è stata sperimentata al Mit, ma ha anche presentato diversi calcoli e un modello di costo che mostra le sue fattibilità tecniche ed economiche.

I coautori di Houde sono il Ceo di Quaise, Carlos Araque, Ken Oglesby di Impact Technologies LLC e Paul Woskov del MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC).

Il filone madre dell'energia geotermica si trova da 3 a 14 chilometri sotto la superficie terrestre, dove le condizioni sono così estreme (ad esempio, le temperature superano i 374 gradi) che se l'acqua potesse essere pompata nell'area diventerebbe “supercritica”, una condizione simile al vapore con cui la maggior parte delle persone non ha familiarità. (Le fasi familiari sono l'acqua liquida, il ghiaccio e il vapore che forma le nuvole). L'acqua supercritica, a sua volta, può trasportare circa 5-10 volte più energia dell'acqua calda normale, rendendola una fonte di energia estremamente efficiente se potesse essere pompata verso le turbine che potrebbero convertirla in energia elettrica.

Ma che cos’è l’acqua supercritica? Una sostanza si dice essere in uno stato supercritico quando si trova in condizioni di temperatura superiore alla temperatura critica e pressione superiore alla pressione critica. In queste condizioni, le proprietà della sostanza sono in parte analoghe a quelle di un liquido e in parte simili a quelle di un gas.

Oggi non possiamo accedere a quelle condizioni tranne che in Islanda e in altre aree dove queste condizioni sono relativamente vicine alla superficie, coma a Larderello, in Toscana. E ciò è il problema principale: non possiamo scendere a profondità superiori per i limiti stessi della tecnologia finora utilizzata per le perforazioni. Le trivelle utilizzate dalle industrie petrolifere e del gas non possono resistere alle formidabili temperature e pressioni che si trovano a chilometri di distanza.

Houde ha citato il rapporto Geovision del Dipartimento dell'Energia del 2019, un'analisi dell'industria geotermica negli Stati Uniti: "Le risorse supercritiche possono essere trovate ovunque sulla Terra perforando abbastanza in profondità... Trivellare a questa profondità è finanziariamente proibitivo con la tecnologia esistente. La produzione economica di risorse supercritiche richiederà lo sviluppo di classi completamente nuove di tecnologie e metodi di perforazione."

Quaise sta lavorando a questo obiettivo. La tecnica dell'azienda sostituisce le tradizionali punte da trapano che rompono meccanicamente la roccia con l'energia delle onde millimetriche (cugine delle microonde con cui molti di noi cucinano). Quelle onde millimetriche (MMW) sciolgono letteralmente e poi vaporizzano la roccia per creare buchi sempre più profondi. 

"Sembra una tecnologia fantascientifica, ma non lo è", afferma Houde. "È sicuramente reale, ed è fattibile e pratica. Si tratta solo di implementarla e convalidarla in laboratorio e sul campo".

Houde sottolinea che l'approccio Quaise si basa su una tecnologia "già matura e commercializzata", sviluppata nel corso di decenni per la ricerca sull'energia da fusione e per le industrie del petrolio e del gas. Quaise sta semplicemente riproponendo quella tecnologia per un'applicazione diversa.

Ad esempio, l'energia MMW, chiave della tecnologia, viene prodotta con una macchina girotrone e diretta al suo obiettivo (roccia profonda e calda) tramite guide d'onda. Entrambi sono stati sviluppati nel corso di circa 50 anni di ricerca sulla fusione nucleare come fonte di energia. Un girotrone è composto da una classe di tubi a vuoto a fascio lineare ad alta potenza che genera onde elettromagnetiche e onde millimetriche. Il girotrone è stato inventato da scienziati sovietici al Nirfi (Novgorod), in Russia. La tecnica Quaise sfrutta anche le tecnologie di perforazione convenzionali come quelle sviluppate dalle industrie petrolifere e del gas. Quaise le utilizzerà ancora per eseguire la prima perforazione degli strati superficiali fino al substrato roccioso.

Da quel punto in poi, il sistema passerà alla tecnologia MMW. Quest'ultimo sistema è praticamente insensibile alle alte temperature e alle pressioni. "Ciò ci consente di mitigare molti dei problemi che abbiamo con le piattaforme meccaniche convenzionali a queste profondità", afferma Houde.

 Schema semplificato dell'impianto di perforazione Quaise: (1) componenti di perforazione MMW interfacciati con l'impianto di perforazione convenzionale in superficie, (2) perforazione convenzionale dalla superficie fino al substrato roccioso, (3) perforazione MMW dal substrato fino alla profondità target. Quaise Inc. 

Houde ha presentato diversi calcoli che mostrano la fattibilità tecnica dell'approccio Quaise. Ad esempio, ha mostrato che la velocità di perforazione anche a diversi chilometri nella Terra dovrebbe essere più o meno la stessa di quella della perforazione geotermica convenzionale. Inoltre la tecnologia Quaise MMW fonde automaticamente la roccia per creare un forte rivestimento in vetro che impedisce il collasso del foro e protegge la guida d'onda. Circa dieci chilometri più in profondità, questo sistema sostituirebbe gli involucri di cemento attualmente utilizzati per proteggere i pozzi associati alla perforazione meccanica convenzionale più vicina alla superficie. 

Houde ha anche presentato i calcoli relativi alla rimozione della roccia vaporizzata, che viene eseguita utilizzando la tecnologia del compressore esistente per pompare un gas di spurgo nel foro insieme all'energia MMW. L'energia e il gas viaggiano verso il basso attraverso una cannuccia interna al foro di perforazione dove alla fine raggiungono e vaporizzano la roccia sul fondo. Quindi il gas che trasporta la roccia vaporizzata, o particolato, risale in superficie attraverso lo spazio tra le due cannucce. "I nostri calcoli mostrano che il particolato può essere convogliato verso l'alto con pressioni e portate che rientrano nei limiti dei compressori esistenti", afferma Houde.

Anche un modello di costo della fattibilità economica dell'approccio Quaise è promettente. Houde sottolinea che pochi pozzi geotermici sono stati perforati oltre i dieci chilometri, ma arrivare a tanto usando la tecnologia convenzionale costa più di 5.000 dollari al metro. Il modello di costo indica che la perforazione MMW potrebbe raggiungere il doppio di quella profondità a costi di perforazione di circa 1.000 dollari al metro.

Sebbene gli esperimenti al Mit abbiano dimostrato la fattibilità generale della perforazione con energia MMW, la tecnica deve ancora essere dimostrata sul campo. Quaise mira a fare proprio questo nei prossimi anni negli Stati Uniti occidentali, lavorando in collaborazione con Altarock, PSFC del MIT, Oak Ridge National Laboratory, Impact Technologies e General Atomics.

L’obiettivo finale è quello di dimostrare che è possibile estrarre energia geotermica, a costi accettabili, in qualsiasi luogo della Terra, così da poterla estrarre e distribuire anche lì dove non ci sono condizioni “superficiali” di presenza delle cosiddette “caldare”, di presenza di masse calde a poca distanza dalla superficie terrestre, o di attività vulcanica nel primo substrato della crosta terrestre.