La géothermie avec de nouveaux forages à très grande profondeur // Geothermal energy with new very deep drillings

L’immense potentiel d’énergie géothermique qui sommeille sous la surface de la Terre ne demande qu’à être exploité pour chauffer les maisons ou produire de l’électricité, comme cela se fait en Islande où cette énergie est convertie en électricité grâce à la force de la vapeur. Portée à haute température dans des réservoirs géothermiques ou les aquifères dans la croûte terrestre, l’eau se transforme en vapeur qui fait ensuite tourner des turbines qui activent un générateur produisant de l’électricité. Lorsque la vapeur redevient de l’eau, elle est renvoyée dans sol et le cycle recommence. En bref, l’énergie géothermique a, en théorie, le potentiel de fournir une énergie propre au monde entier.
Pour puiser cette puissance naturelle, les ingénieurs devront inventer de nouvelles stratégies pour forer jusqu’à 20 kilomètres de profondeur à l’intérieur de la Terre. Quaise Energy, une start-up rattachée au Massachusetts Institute of Technology (MIT) pense avoir la solution avec le forage à ondes millimétriques. Les scientifiques pensent que la technologie peut vaporiser suffisamment de roche pour créer les puits de forage les plus profonds au monde. Ils pourront ainsi récolter l’énergie géothermique à grande échelle pour satisfaire la consommation humaine sans avoir besoin de combustibles fossiles.
L’énergie géothermique est pratiquement illimitée, mais elle est actuellement sous-utilisée. Selon l’Agence Internationale de l’Energie, la production d’électricité géothermique n’a augmenté que d’environ 2 % en 2020 avec une capacité supplémentaire de 200 mégawatts, ce qui représente une baisse significative par rapport à la croissance enregistrée au cours des cinq années précédentes. À titre de comparaison, une centrale au charbon classique a une capacité d’environ 600 MW.
Pour atteindre zéro émission nette d’ici 2030, la production mondiale d’énergie géothermique devrait augmenter de 13 % chaque année entre 2021 et 2030, soit environ 3,6 gigawatts de capacité. Pour y parvenir, il faudra un meilleur accès à l’eau ultra-chaude qui se trouve à très grande profondeur. C’est le but recherché avec le forage à ondes millimétriques.
Actuellement, le puits de forage le plus profond au monde est le Kola Superdeep Borehole en Russie, près de la Norvège. Résultat d’un projet remontant à l’Union Soviétique, il s’agissait de forer le plus profond possible dans la croûte terrestre, qui fait en moyenne environ 30 kilomètres d’épaisseur sous les continents. Au final, ce puits n’atteint que 12,1 kilomètres dans la croûte et il a fallu 20 ans pour le réaliser car les équipements conventionnels, tels que les foreuses mécaniques, ne peuvent pas gérer les conditions rencontrées à une telle profondeur.
La nouvelle technologie mise au point par Quaise Energy, conçue pour perforer la roche avec des ondes millimétriques, pourrait être une solution. En remplaçant les forets conventionnels par des ondes millimétriques générées par une machine baptisée gyrotron, il est possible de faire fondre puis de vaporiser la roche. Un gyrotron dispose d’une puissante source de faisceaux, comme les lasers, mais avec une gamme de fréquences différente. Il a fallu plus de 15 ans à la start-up pour développer la technologie en laboratoire, et démontrer finalement que les ondes millimétriques pouvaient forer le basalte. La technologie devrait permettre de creuser à 20 kilomètres de profondeur, là où les températures atteignent plus de 480 degrés Celsius.
Le projet devrait débuter par une conception hybride, utilisant d’abord la technologie de forage rotatif conventionnelle développée par les industries pétrolières et gazières pour perforer les couches de surface de la Terre. C’est alors que l’on utilise les ondes millimétriques à haute puissance. La première plate-forme de forage hybride à grande échelle devrait être opérationnelle d’ici 2024. D’ici 2026, le premier système géothermique prévu pour produire 100 mégawatts d’énergie thermique fonctionnera à partir de quelques puits de forage. D’ici 2028, le nouveau système devrait commencer à remplacer les centrales à combustibles fossiles par des centrales géothermiques.
Grâce aux températures élevées atteintes à très grande profondeur, la nouvelle technologie produit de la vapeur très proche de la température à laquelle fonctionnent les centrales électriques au charbon et au gaz d’aujourd’hui. Ainsi, il sera possible de remplacer 95 à 100 % de l’utilisation du charbon en développant un champ géothermique et en produisant de la vapeur à partir des profondeurs de la Terre.
Il reste encore beaucoup à faire pour développer pleinement la nouvelle technologie. Les scientifiques doivent mieux comprendre les propriétés des roches à grande profondeur et faire progresser la chaîne d’approvisionnement des gyrotrons qui produisent les ondes millimétriques. De plus, l’équipement devra être produit en quantité et avec une conception robuste adaptée à l’environnement des forages.
Viennent ensuite des défis techniques supplémentaires, tels que la technique d’élimination des matériaux remontés lors du forage et la nécessité de maintenir les puits stables et ouverts une fois le forage terminé.
Au moment où les sources d’énergie géothermique plafonnent à travers le monde parce que les méthodes de forage conventionnelles sont inadaptées pour gérer des profondeurs supérieures à 120 mètres, le Département américain de l’Energie a octroyé à Quaise Energy une subvention pour accélérer les expériences avec un gyrotron plus puissant, et continuer à améliorer les capacités de vaporisation.
Source : Yahoo Actualités, Popular Mechanics.

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The vast geothermal energy locked below Earth’s surface is just waiting to be tapped to heat the houses or to produce electricity, as this is done in Iceland where it is converted to electricity through steam. As water is heated in geothermal reservoirs or aquifers in Earth’s crust, steam is created, which then turns turbines that activate a generator, ultimately spitting out electricity. When the steam becomes water again, it’s returned to the ground so it can go through the cycle all over again. In short, it has the potential to provide clean energy to the entire world.

To tap into this natural power, engineers must devise a new strategy for drilling 20 kilometers into Earth, deep into rock. An MIT spinoff company believes it has the answer: millimeter wave drilling. Scientists believe the technology can vaporize enough rock to create the world’s deepest holes and harvest geothermal energy at scale to satisfy human energy consumption without the need for fossil fuels.

Although geothermal energy is a nearly limitless form of sustainable energy production, it is currently being underutilized. According to the International Energy Agency, geothermal electricity generation grew only about 2 percent in 2020 with an added 200 megawatts of capacity, a marked fall from the growth seen in the previous five years. As a comparison, a typical coal plant has about 600 MW of capacity.

To reach net-zero emissions by 2030, global geothermal energy production needs to increase by 13 percent each year between 2021-2030, or about 3.6 gigawatts of capacity. For that to happen, we need better access to this ultra-hot water from Earth’s core. It is hoped that millimeter wave drilling will do the job.

Currently, the world’s deepest drilled hole is the Kola Superdeep Borehole in Russia near Norway. A project of the Soviet Union, it was an attempt to drill as deeply as possible into Earth’s crust, which is on average about 30 kilometers thick beneath continents. But this hole reaches just 12.1 kilometerrs into the crust and took 20 years to complete because conventional equipment, such as mechanical drills, can’t handle the conditions at those depths.

The MIT new technology, designed to blast rock with millimeter waves, might be a solution. By replacing conventional drill bits with millimeter wave energy, powered by a gyrotron machine, it is possible to melt and then vaporize the rock to create many of these deep holes. A gyrotron features a powerful beam source, like lasers, but with a different frequency range. It took MIT over 15 years to develop the general technique in a lab, eventually demonstrating the millimeter waves could drill holes in basalt. The technology is expected to reach 20 kilometers into the ground, where temperatures reach over 480 degrees Celsius.

The plan is to usher in a hybrid design, first using conventional rotary drilling technology developed by the oil and gas industries to cut through Earth’s surface layers. Then, once crews reach the basement rock, they switch over to high-power millimeter waves. The first full-scale hybrid drilling rig will be operational by 2024. By 2026, the first geothermal system, rated to 100 megawatts of thermal energy, will be operating from a handful of wells. By 2028, ithe new system is likely to start replacing fossil fuel-powered energy plants with geothermal plants.

At these high temperatures, the new technology is producing steam very close to, if not exceeding, the temperature that today’s coal and gas-fired power plants operate at. So, it will be possible to replace 95 to 100 percent of the coal use by developing a geothermal field and producing steam from the Earth.

There is still a lot to do to fully develop the new technology. Scientists need to better understand rock properties at great depth and advance the supply chain for gyrotrons, the linear-beam vacuum tubes that produce the millimeter waves.The equipment must be produced in quantity and with a robust design suitable for a field environment.

Then come some additional engineering challenges, such as the proper removal technique for the ash created during the borehole drilling, and the need to keep the bored holes stable and open once completed.

With geothermal energy sources plateauing across the world because conventional drilling methods proved impractical to handle the hotter and harder crusts much deeper than the shallow depths of 120 meters, the United States Department of Energy has offered the MIT department a grant to increase the experiments with a larger gyrotron to continue improving the vaporizing abilities.

Source: Yahoo News, Popular Mechanics.

Vue du gyrotron (Source: Encyclopaedia Britannica)

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