La technologie Fusion est prête à se débloquer près de

Tout le monde sait que le noyau de la Terre est chaud, mais peut-être que son échelle a encore le pouvoir de surprendre. Les températures au centre de fer du noyau sont estimées à environ 5 200 ° C (9 392 ° F), générées par la chaleur des éléments radioactifs en décomposition se combinant avec la chaleur qui reste encore de la formation même de la planète - un événement d'une violence cataclysmique lorsqu'un nuage tourbillonnant de gaz et de poussière a été écrasé en boule par sa propre gravité.

Là où il y a accès à la chaleur, il y a de l'énergie géothermique exploitable. Et il y a tellement de chaleur sous la surface de la Terre, selon Paul Woskov, ingénieur senior en recherche sur la fusion au MIT, qu'en exploiter seulement 0,1 % pourrait répondre aux besoins énergétiques du monde entier pendant plus de 20 millions d'années.

Le problème c'est l'accès. Là où les sources de chaleur souterraines se trouvent naturellement près de la surface, facilement accessibles et suffisamment proches d'un réseau électrique pertinent pour une transmission économiquement viable, la géothermie devient un exemple rare de production d'énergie verte totalement fiable et 24 heures sur 24. Le soleil cesse de briller, le vent cesse de souffler, mais la roche est toujours chaude. Bien sûr, ces conditions sont assez rares et, par conséquent, la géothermie ne fournit actuellement qu'environ 0,3 % de la consommation énergétique mondiale.

Si nous pouvions forer assez profondément, nous pourrions mettre des centrales géothermiques à peu près partout où nous le voulions. Mais c'est plus difficile qu'il n'y paraît. L'épaisseur de la croûte terrestre varie entre environ 5 et 75 km (3 à 47 miles), les parties les plus minces ayant tendance à se trouver loin dans l'océan profond.

Le trou le plus profond que l'humanité ait jamais réussi à forer est le Kola Superdeep Borehole. Ce projet russe près de la frontière norvégienne a débuté en 1970, visant à percer la croûte jusqu'au manteau, et l'un de ses forages a atteint une profondeur verticale de 12 289 m (40 318 pieds) en 1989, avant que l'équipe ne décide qu'il était impossible d'aller plus loin et à court d'argent.

À cette profondeur, les membres de l'équipe de Kola s'attendaient à ce que la température se situe autour de 100 °C (212 °F), mais en réalité, ils ont trouvé qu'elle était plus proche de 180 °C (356 °F). La roche était moins dense et plus poreuse que prévu, et ces facteurs combinés à la chaleur élevée ont créé des conditions de forage cauchemardesques. Le site de Kola est tombé dans un état de délabrement complet, et cette "entrée de l'enfer", un sommet (ou peut-être le nadir) de l'accomplissement humain, est maintenant un trou anonyme et soudé.

L'Allemagne a dépensé l'équivalent de plus d'un quart de milliard d'euros pour sa propre version à la fin des années 80, mais le programme allemand de forage en profondeur continental, ou forage KTB, n'a atteint que 9 101 mètres (29 859 pieds) avant de se terminer. Encore une fois, la température a augmenté bien plus tôt que prévu, et l'équipe du KTB a également été surprise de constater que la roche à cette profondeur n'était pas solide et que de grandes quantités de fluide et de gaz se déversaient dans le trou de forage pour compliquer davantage l'effort.

Ces températures étaient suffisamment chaudes pour contrecarrer le processus de forage, mais pas assez pour en faire une bonne entreprise d'énergie géothermique. Alors que ces projets et d'autres ont été des ressources scientifiques inestimables, de nouvelles technologies sont nécessaires pour libérer le potentiel géothermique sous nos pieds.

Lorsque les conditions deviennent trop difficiles pour que les forets physiques fonctionnent, les chercheurs ont testé les capacités des faisceaux d'énergie dirigée à chauffer, fondre, fracturer et même vaporiser la roche du sous-sol dans un processus appelé spallation, avant même que la tête de forage ne la touche. Vous pouvez voir l'effet de la spallation sur la roche dure dans le GIF ci-dessous du robot ennuyeux "Swifty" de Petra, bien que Petra ne révèle pas exactement ce qui est utilisé pour créer cette chaleur.

Des expériences militaires à la fin des années 90 ont montré des résultats prometteurs indiquant que le forage assisté par laser pouvait traverser la roche 10 à 100 fois plus rapidement que le forage conventionnel, et vous pouvez parier que cela intéressait beaucoup les sociétés pétrolières et gazières.

Un processus de forage à énergie directe, a écrit le président d'Impact Technologies, Kenneth Oglesby, dans un rapport du MIT de 2014 pour le programme de technologies géothermiques du DOE américain, offrirait d'énormes avantages : "1) aucun système mécanique dans le puits de forage qui pourrait s'user ou se casser, 2) aucune limite de température, 3) une facilité égale à pénétrer n'importe quelle dureté de roche, et 4) la possibilité de remplacer le besoin de tubage/cimentation par un revêtement vitrifié durable. "

Ce dernier point est intéressant - une foreuse à énergie directe cautériserait efficacement la roche qu'elle traverse, fondrait le puits de forage au fur et à mesure et le vitrifierait en une couche vitreuse qui scellerait les fluides, les gaz et autres contaminants qui ont causé des problèmes dans les précédents projets de forage ultra-profond.

Mais les lasers, écrit Oglesby, ne coupent pas la moutarde. "La pénétration de roche la plus profonde réalisée à ce jour avec des lasers n'a été que de 30 cm (11,8 pouces). Il y a des raisons physiques et technologiques fondamentales à ce manque de progrès dans le forage au laser. Premièrement, le flux de particules d'extraction de roche est incompatible avec l'énergie à courte longueur d'onde qui est diffusée et absorbée [par la poussière et les nuages ​​de particules] avant d'entrer en contact avec la surface rocheuse souhaitée. Deuxièmement, la technologie laser manque d'énergie, d'efficacité et est trop chère. "

La solution, semble-t-il, pourrait venir du monde de la fusion nucléaire. Afin de reproduire les conditions qui écrasent les atomes ensemble au cœur du Soleil, et ainsi libérer la forme d'énergie nucléaire la plus sûre et la plus propre, les chercheurs en fusion doivent générer des quantités stupéfiantes de chaleur. Nous parlons de l'ordre de 150 millions de degrés soutenus, dans le cas du projet ITER. La recherche sur la fusion a bénéficié de milliards de dollars de financement gouvernemental international, ce qui a accéléré les progrès et la commercialisation dans d'autres domaines qui n'auraient peut-être pas eu de budget autrement.

Un exemple est le gyrotron, un équipement développé à l'origine en Russie soviétique au milieu des années 1960. Les gyrotrons génèrent des ondes électromagnétiques dans la partie millimétrique du spectre, avec des longueurs d'onde plus courtes que les micro-ondes, mais plus longues que la lumière visible ou infrarouge. Au début des années 1970, des chercheurs travaillant sur des conceptions de tokamak pour des réacteurs à fusion ont découvert que ces ondes millimétriques étaient un excellent moyen de chauffer considérablement le plasma, et au cours des 50 dernières années, le développement du gyrotron a fait des progrès impressionnants grâce à la recherche sur la fusion et au financement du DOE.

En effet, des gyrotrons capables de générer des faisceaux d'énergie continus d'une puissance supérieure à un mégawatt sont désormais disponibles, et c'est une excellente nouvelle pour les foreurs profonds. "La base scientifique, la faisabilité technique et le potentiel économique du forage de roche à ondes millimétriques à énergie dirigée à des fréquences de 30 à 300 GHz sont solides", a écrit Ogilvy. "Il évite la diffusion de Rayleigh et peut coupler/transférer l'énergie à une surface rocheuse 1012 fois plus efficacement que les sources laser en présence d'un petit panache d'extraction de particules. Les ondes millimétriques continues de puissance mégawatt peuvent également être efficacement (> 90 pour cent) guidées sur de grandes distances (> 10 km) en utilisant une variété de modes et de systèmes de guides d'ondes (tuyaux), y compris la possibilité d'utiliser des tubes enroulés à alésage lisse et joints / joints. "

"Les calculs thermodynamiques", a-t-il poursuivi, "suggèrent qu'un taux de pénétration de 70 mètres/heure (230 pieds/heure) est possible dans des forages de 5 cm (1,97 pouce) avec un gyrotron de 1 MW qui se couple à la roche avec une efficacité de 100 %. L'utilisation de sources de puissance inférieure ou supérieure (par exemple, 100 kW à 2 MW) permettrait des changements dans la taille du forage et/ou le taux de pénétration. "

Ce serait un énorme coup de pouce pour les projets de forage pétrolier et gazier traditionnels - mais, à moins de trop de surprises supplémentaires, cela devrait également changer considérablement l'équation du forage ultra-profond, rendant possible et rentable de pénétrer suffisamment profondément dans la croûte pour libérer une partie de l'immense potentiel d'énergie géothermique de la Terre.

En 2018, le Plasma Science and Fusion Center du MIT a créé une entreprise appelée Quaise, spécifiquement axée sur la géothermie ultra-profonde utilisant des systèmes hybrides qui combinent le forage rotatif traditionnel avec la technologie à ondes millimétriques alimentées par gyrotron, tout en pompant de l'argon comme gaz de purge pour nettoyer et refroidir le forage tout en projetant des particules de roche à la surface et à l'écart.

La société a levé quelque 63 millions de dollars à ce jour, dont 18 millions de dollars en financement de démarrage, 5 millions de dollars en subventions et 40 millions de dollars dans le cadre d'un cycle de financement de série A clôturé plus tôt ce mois-ci.

Quaise prévoit de forer des trous jusqu'à 20 km (12,4 miles) de profondeur, soit beaucoup plus profond que le Kola Superdeep Borehole - mais là où l'équipe de Kola a mis près de 20 ans pour atteindre sa limite, Quaise s'attend à ce que son processus amélioré par gyrotron ne prenne que 100 jours. Et cela suppose un gyrotron de 1 MW.

À ces profondeurs, Quaise s'attend à trouver des températures d'environ 500 ° C (932 ° F), ce qui est bien au-delà du point où l'énergie géothermique fait un bond en avant en termes d'efficacité.

"L'eau est un fluide supercritique à des pressions supérieures à 22 MPa et à des températures supérieures à 374 ° C (705 ° F)", a déclaré Quaise. "Une centrale électrique qui utilise de l'eau supercritique comme fluide de travail peut extraire jusqu'à 10 fois plus d'énergie utile de chaque goutte par rapport aux centrales non supercritiques. Viser des conditions supercritiques est essentiel pour atteindre des densités de puissance compatibles avec les combustibles fossiles."

Quaise travaille sur des machines de démonstration à grande échelle et déployables sur le terrain, qui, selon elle, commenceront à fonctionner en 2024. Il prévoit d'avoir son premier "système géothermique amélioré super chaud" évalué à 100 mégawatts en fonctionnement d'ici 2026.

La prochaine étape est le génie commercial : Quaise prévoit de tirer parti des infrastructures existantes telles que les centrales électriques au charbon, qui finiront par être mises sous cocon à mesure que les restrictions sur les émissions deviendront de plus en plus strictes. Ces installations disposent déjà d'énormes capacités pour convertir la vapeur en électricité, ainsi que d'opérateurs commerciaux établis et de main-d'œuvre expérimentée, et elles sont pré-connectées au réseau électrique. Quaise remplacera simplement ses sources de chaleur fossiles actuelles par suffisamment d'énergie géothermique supercritique pour faire tourner les turbines indéfiniment sans jamais avoir besoin d'un autre morceau de charbon ou d'une bouffée de méthane.

Quaise prévoit de réalimenter sa première centrale à combustible fossile en 2028, puis d'affiner et de reproduire le processus partout dans le monde, car la chaleur devrait être disponible absolument partout sur Terre avec cette technologie de forage. Il y a quelque part plus de 8 500 centrales électriques au charbon dans le monde, totalisant plus de 2 000 gigawatts de capacité, et elles devront toutes trouver autre chose à faire d'ici 2050, donc l'opportunité est clairement gigantesque.

"Nous avons besoin d'une quantité massive d'énergie sans carbone dans les décennies à venir", a déclaré Mark Cupta, directeur général de Prelude Ventures, l'un des principaux investisseurs de série A de la société. « Quaise Energy offre l'une des solutions les plus économes en ressources et évolutives presque à l'infini pour alimenter notre planète. C'est le complément parfait à nos solutions renouvelables actuelles, nous permettant d'atteindre une énergie durable de base dans un avenir pas si lointain.

Nous n'avons pas besoin de dire aux lecteurs du New Atlas à quel point cela pourrait être un changement massif pour l'énergie propre de base et le processus de décarbonisation. En effet, si cette technologie fonctionne comme prévu (et que la croûte ne trouve pas de nouveaux moyens de lutter contre nos intrusions) et que l'économie s'accumule, cette nouvelle utilisation des gyrotrons pourrait ironiquement finir par mettre les réacteurs à fusion au chômage.

Surtout, il ne prendra presque pas de place sur la surface, contrairement à l'énergie solaire et éolienne à l'échelle industrielle. Cela précipitera également un changement géopolitique mondial, puisque chaque pays aura un accès égal à sa propre source d'énergie pratiquement inépuisable, et ce sera certainement bien lorsque les grands pays n'auront pas à "libérer" les populations des plus petits pour accéder aux ressources énergétiques.

Regardez une courte vidéo ci-dessous.

Source : Quaise Energy