O spin-off do MIT Quaise diz que vai usar a tecnologia de fusão sequestrada para perfurar os buracos mais profundos da história, desbloqueando energia geotérmica limpa, praticamente ilimitada e supercrítica que pode reabastecer usinas de energia fóssil em todo o mundo.
O calor sob nossos pés
Todo mundo sabe que o núcleo da Terra é quente, mas talvez sua escala ainda tenha o poder de surpreender. As temperaturas no centro de ferro do núcleo são estimadas em cerca de 5.200 °C (9.392 °F), geradas pelo calor de elementos radioativos em decomposição combinados com o calor que ainda permanece desde a própria formação do planeta ? um evento de violência cataclísmica quando um nuvem rodopiante de gás e poeira foi esmagada em uma bola por sua própria gravidade.
Onde há acesso ao calor, há energia geotérmica explorável. E há tanto calor abaixo da superfície da Terra, de acordo com Paul Woskov, engenheiro sênior de pesquisa de fusão do MIT, que apenas 0,1% dele poderia suprir as necessidades de energia do mundo inteiro por mais de 20 milhões de anos.
O problema é o acesso. Onde as fontes de calor subterrâneas ocorrem naturalmente perto da superfície, facilmente acessíveis e próximas o suficiente de uma rede elétrica relevante para uma transmissão economicamente viável, a geotérmica torna-se um exemplo raro de geração de energia verde 24 horas por dia, totalmente confiável. O Sol para de brilhar, o vento para de soprar, mas a rocha está sempre quente. Obviamente, essas condições são bastante raras e, como resultado, a geotérmica atualmente fornece apenas cerca de 0,3% do consumo global de energia.
Os buracos mais profundos da história humana não são profundos o suficiente
Se pudéssemos perfurar fundo o suficiente, poderíamos colocar usinas geotérmicas em qualquer lugar que quiséssemos. Mas isso é mais difícil do que parece. A crosta da Terra varia em espessura entre cerca de 5-75 km (3-47 milhas), com as partes mais finas tendendo a estar no fundo do oceano.
O buraco mais profundo que a humanidade já conseguiu perfurar é o Kola Superdeep Borehole. Este projeto russo perto da fronteira norueguesa foi lançado em 1970, com o objetivo de perfurar a crosta até o manto, e um de seus furos atingiu uma profundidade vertical de 12.289 m (40.318 pés) em 1989, antes que a equipe decidisse que era inviável ir mais fundo, e ficou sem dinheiro.
A essa profundidade, os membros da equipe Kola esperavam que a temperatura estivesse em torno de 100 ° C (212 ° F), mas na realidade eles descobriram que estava mais perto de 180 ° C (356 ° F). A rocha era menos densa e mais porosa do que o esperado, e esses fatores combinados com o calor elevado criaram condições de perfuração de pesadelo. O local de Kola caiu em completo abandono, e essa “entrada para o inferno”, um pináculo (ou talvez o nadir) da realização humana, é agora um buraco anônimo e fechado.
A Alemanha gastou o equivalente a mais de um quarto de bilhão de euros em sua própria versão no final dos anos 80, mas o Programa Alemão de Perfuração Profunda Continental, ou furo KTB, só chegou a 9.101 metros (29.859 pés) antes de terminar. Mais uma vez, a temperatura subiu muito mais cedo do que o esperado, e a equipe do KTB também ficou surpresa ao descobrir que a rocha nessa profundidade não era sólida, e grandes quantidades de fluido e gás estavam entrando no poço para complicar ainda mais o esforço.
Essas temperaturas eram quentes o suficiente para impedir o processo de perfuração, mas não o suficiente para fazer um bom negócio de energia geotérmica. Portanto, embora esses projetos e outros tenham sido recursos científicos inestimáveis, novas tecnologias são necessárias para liberar o potencial geotérmico sob nossos pés.
Perfuração de energia direta: um caminho a seguir
Onde as condições se tornam muito difíceis para as brocas físicas operarem, os pesquisadores vêm testando as capacidades dos feixes de energia direcionados para aquecer, derreter, fraturar e até vaporizar a rocha do embasamento em um processo chamado spallation, antes mesmo da cabeça da broca tocá-la. Você pode ver o efeito da espalação na rocha dura no GIF abaixo do robô chato “Swifty” de Petra, embora Petra não esteja revelando o que exatamente é usado para criar esse calor.
Experimentos militares no final dos anos 90 mostraram resultados promissores, indicando que a perfuração assistida por laser poderia atravessar rochas de 10 a 100 vezes mais rápido do que a perfuração convencional, e você pode apostar que isso foi de grande interesse para as empresas de petróleo e gás.
Um processo de perfuração de energia direta, escreveu o presidente da Impact Technologies, Kenneth Oglesby, em um relatório do MIT de 2014 para o Programa de Tecnologias Geotérmicas do DOE dos EUA, ofereceria algumas vantagens enormes: “1) nenhum sistema mecânico no poço que pudesse se desgastar ou quebrar, 2) sem limite de temperatura, 3) igual facilidade de penetração em qualquer dureza de rocha e 4) potencial para substituir a necessidade de revestimento/cimentação por um revestimento vitrificado durável.”
Esse último ponto é interessante – uma broca de energia direta cauterizaria efetivamente a rocha cortada, derretendo o poço à medida que avança e vitrificando-o em uma camada vítrea que vedaria fluidos, gases e outros contaminantes que causaram problemas em anteriores. projetos de perfuração ultraprofunda.
Mas lasers, escreveu Oglesby, não cortam a mostarda. “A penetração de rocha mais profunda alcançada até hoje com lasers foi de apenas 30 cm (11,8 pol.). Existem razões físicas e tecnológicas fundamentais para essa falta de progresso na perfuração a laser. Primeiro, o fluxo de partículas de extração de rocha é incompatível com energia de comprimento de onda curto que é espalhadas e absorvidas [por nuvens de poeira e partículas] antes de entrar em contato com a superfície da rocha desejada. Em segundo lugar, a tecnologia a laser é deficiente em energia, eficiência e é muito cara.”
Entre no girotron e feixes de energia de ondas milimétricas
A solução, ao que parece, pode vir do mundo da fusão nuclear. Para replicar as condições que esmagam os átomos no coração do Sol e, assim, liberar a forma mais segura e limpa de energia nuclear, os pesquisadores de fusão precisam gerar quantidades impressionantes de calor. Estamos falando na faixa de 150 milhões de graus sustentados, no caso do projeto ITER. A pesquisa de fusão foi beneficiária de bilhões de dólares em financiamento governamental internacional e, portanto, acelera o progresso e a comercialização em outras áreas que, de outra forma, poderiam não ter um orçamento.
Um exemplo é o girotron, um equipamento originalmente desenvolvido na Rússia soviética em meados da década de 1960. Os girotrons geram ondas eletromagnéticas na parte milimétrica do espectro, com comprimentos de onda menores que as micro-ondas, mas maiores que a luz visível ou infravermelha. No início da década de 1970, pesquisadores que trabalhavam em projetos de tokamak para reatores de fusão descobriram que essas ondas milimétricas eram uma excelente maneira de aquecer substancialmente o plasma e, nos últimos 50 anos, o desenvolvimento de girotron fez um progresso impressionante por trás da pesquisa de fusão e do financiamento do DOE.
De fato, girotrons capazes de gerar feixes de energia contínuos acima de um megawatt de potência estão se tornando disponíveis, e isso é uma notícia incrível para os perfuradores de profundidade. “A base científica, a viabilidade técnica e o potencial econômico da perfuração de rochas com ondas milimétricas de energia direcionada em frequências de 30 a 300 GHz são fortes”, escreveu Ogilvy. “Evita a dispersão de Rayleigh e pode acoplar/transferir energia para uma superfície de rocha 1012X mais eficientemente do que fontes de laser na presença de uma pequena pluma de extração de partículas. (> 10 km) usando uma variedade de modos e sistemas de guia de ondas (tubos), incluindo o potencial de usar tubos enrolados e articulados/unidos de furo liso.”
“Cálculos termodinâmicos”, continuou ele, “sugerem que uma taxa de penetração de 70 metros/hora (230 pés/hora) é possível em furos de 5 cm (1,97 pol) com um girotron de 1 MW que se acopla à rocha com 100% de eficiência. O uso de fontes de baixa ou alta potência (por exemplo, 100 kW a 2 MW) permitiria mudanças no tamanho do furo e/ou taxa de penetração.”
Isso seria um grande impulso para os projetos tradicionais de perfuração de petróleo e gás – mas, salvo muitas outras surpresas, também deve mudar significativamente a equação para perfuração ultraprofunda, tornando possível e lucrativo ir fundo o suficiente na crosta para desbloquear alguns do imenso potencial de energia geotérmica da Terra.
Quaise: Comercialização de energia geotérmica supercrítica e ultraprofunda
Em 2018, o Plasma Science and Fusion Center do MIT criou um negócio chamado Quaise, especificamente focado em geotérmica ultraprofunda usando sistemas híbridos que combinam perfuração rotativa tradicional com tecnologia de ondas milimétricas movidas a girotron, enquanto bombeia argônio como gás de purga para limpar e resfrie o furo enquanto dispara partículas de rocha de volta à superfície e fora do caminho.
A empresa levantou cerca de US$ 63 milhões até o momento, incluindo US$ 18 milhões em financiamento inicial, US$ 5 milhões em doações e US$ 40 milhões em uma rodada de financiamento da Série A fechada no início deste mês.
Quaise planeja perfurar buracos de até 20 km (12,4 milhas) de profundidade, significativamente mais profundos do que o Kola Superdeep Borehole – mas onde a equipe Kola levou quase 20 anos para atingir seu limite, a Quaise espera que seu processo aprimorado por girotron leve apenas 100 dias. E isso assumindo um girotron de 1 MW.
Nessas profundidades, Quaise espera encontrar temperaturas em torno de 500 ° C (932 ° F), que está bem além do ponto em que a energia geotérmica dá um grande salto em eficiência.
“A água é um fluido supercrítico a pressões acima de 22 MPa e temperaturas superiores a 374 ° C (705 ° F)”, disse Quaise. “Uma usina que usa água supercrítica como fluido de trabalho pode extrair até 10 vezes mais energia útil de cada gota quando comparada a usinas não supercríticas. Visar condições supercríticas é fundamental para atingir densidades de energia consistentes com combustíveis fósseis.”
A Quaise está trabalhando em máquinas de demonstração em grande escala e implantáveis em campo, que, segundo ela, começarão a operar em 2024. Ela planeja ter seu primeiro “sistema geotérmico aprimorado super-quente” avaliado em 100 megawatts em operação até 2026.
O próximo passo é a genialidade comercial: Quaise planeja aproveitar a infraestrutura existente, como usinas de energia a carvão, que eventualmente serão desativadas à medida que as restrições de emissões se tornarem cada vez mais rígidas. Essas instalações já possuem enormes capacidades para converter vapor em eletricidade, bem como operadores comerciais estabelecidos e mão de obra experiente, e vêm convenientemente pré-conectadas à rede elétrica. Quaise simplesmente substituirá suas atuais fontes de calor de combustível fóssil por energia geotérmica supercrítica suficiente para manter as turbinas girando indefinidamente sem precisar de outro pedaço de carvão ou baforada de metano.
A Quaise espera reenergizar sua primeira usina movida a combustíveis fósseis em 2028 e, em seguida, refinar e replicar o processo em todo o mundo, já que o calor deve estar disponível em absolutamente qualquer lugar da Terra com essa tecnologia de perfuração. Existem em algum lugar mais de 8.500 usinas a carvão em todo o mundo, totalizando mais de 2.000 gigawatts de capacidade, e todos eles terão que encontrar outra coisa para fazer até 2050, então a oportunidade é claramente gigantesca.
“Precisamos de uma enorme quantidade de energia livre de carbono nas próximas décadas”, disse Mark Cupta, diretor administrativo da Prelude Ventures, um dos principais investidores da Série A da empresa. “A Quaise Energy oferece uma das soluções mais eficientes em termos de recursos e quase infinitamente escaláveis para alimentar nosso planeta. É o complemento perfeito para nossas soluções renováveis atuais, permitindo-nos alcançar energia sustentável de carga básica em um futuro não tão distante.”
Não precisamos dizer aos leitores do New Atlas como isso pode ser uma grande mudança para a energia limpa básica e o processo de descarbonização. De fato, se essa tecnologia funcionar como esperado (e a crosta não encontrar novas maneiras de lutar contra nossas intrusões) e a economia se acumular, esse novo uso para girotrons pode, ironicamente, acabar deixando os reatores de fusão fora de serviço.
É importante ressaltar que quase não ocupará espaço na superfície, em contraste com a energia solar e eólica em escala industrial. Também precipitará uma mudança geopolítica global, já que todos os países terão acesso igual à sua própria fonte de energia praticamente inesgotável, e com certeza será bom quando os grandes países não precisarem “libertar” as populações dos menores para obter acesso aos recursos energéticos.
Confira um pequeno vídeo abaixo.
Publicado em 02/03/2022 10h15
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