Subsea geothermal project

J’ai consacré un article (le 18 juillet 2024) à l’Axial Seamount, un volcan sous-marin situé à environ 480 km au large des côtes de l’Oregon. Il s’agit d’un volcan bouclier, dont la structure est comparable à celle des volcans que l’on trouve à Hawaï.

Carte montrant la position de l’Axial sur la dorsale Juan de Fuca (Source : USGS)

En mars 2024, ce volcan sous-marin présentait une inflation importante, faisant craindre une éruption aux scientifiques locaux. Cette phase de gonflement s’accompagnait d’une hausse de l’activité sismique. Les volcanologues ont évoqué la possibilité d’une éruption entre 2025 et 2026, tout en soulignant le caractère imprévisible de l’activité volcanique. À ce jour, aucune éruption n’a eu lieu.

Source: USGS

Malgré les risques éruptifs, des chercheurs viennent de réaliser, sur l’Axial Seamount, la toute première démonstration d’une centrale géothermique sous-marine. Bien que la production d’électricité n’ait duré que moins de 10 secondes, cette expérience a montré la faisabilité technique d’exploiter une nouvelle forme d’énergie renouvelable en milieu sous-marin.
Endurance Energy, une start-up basée à Seattle à l’origine de ce projet, ambitionne à terme de commercialiser l’énergie géothermique sous-marine, notamment auprès des nations insulaires du Pacifique et d’autres clients en quête d’alternatives à l’importation de combustibles fossiles coûteux.
L’exploitation de l’énergie géothermique sur les fonds marins soulève des défis bien différents de ceux rencontrés dans les projets géothermiques terrestres. Elle peut également entraîner des coûts d’installation et d’exploitation plus élevés.
Pour mener à bien cette opération, Endurance Energy a déployé, depuis le navire Ocean Guardian, un équipement de forage sous-marin afin de creuser deux puits dans le plancher océanique, à une profondeur d’environ 1 524 mètres.
Les deux forages ont rapidement laissé échapper des fluides hydrothermaux atteignant une température d’environ 260 °C. L’équipe d’Endurance Energy a procédé au tubage et à la cimentation du second puits, avant d’y installer une vanne. L’entreprise a ensuite mis en place sa centrale électrique de 100 kilowatts, baptisée Adélie ; celle-ci est conçue pour vaporiser les fluides hydrothermaux captés, afin d’actionner une turbine reliée à un générateur électrique. Un robot sous-marin télécommandé a été utilisé pour faciliter le raccordement de la centrale au puits nouvellement foré. La centrale Adélie a également été reliée au centre de contrôle d’Endurance Energy à Seattle, grâce au raccordement à un réseau sous-marin de 900 kilomètres composé de câbles à fibre optique et de câbles électriques. Ce réseau a fourni à la fois de l’énergie et une connectivité aux capteurs installés sur le plancher océanique.
Tout était alors prêt pour le test d’Adélie, mais un problème majeur est rapidement apparu : le forage de 16 mètres dans les fonds marins ne fournissait pas une quantité suffisante de fluide hydrothermal pour faire fonctionner la centrale. Par ailleurs, le puits de test ne mesurait que 5 centimètres de diamètre, alors que les puits utilisés pour l’extraction de pétrole, de gaz ou pour la géothermie terrestre présentent généralement des tubages d’un diamètre compris entre 50 et 90 centimètres. Pour éviter ce genre de difficulté à l’avenir, Endurance Energy prévoit de réaliser des forages plus profonds afin d’accéder à un volume plus important de fluides. L’équipement de forage actuel de l’entreprise peut atteindre environ 80 mètres de profondeur, soit cinq fois plus que le puits utilisé lors du premier test.
Afin de tenter tout de même de faire fonctionner la centrale Adélie, l’équipe scientifique l’a déplacée vers une source hydrothermale naturelle située à proximité, où du fluide s’écoule à une température d’environ 281 °C. En l’espace d’une trentaine de secondes, la turbine de la centrale a atteint une vitesse d’environ 26 000 tours minute, permettant au générateur de produire 60 wattheures d’électricité. La centrale a même atteint un bilan énergétique positif, puisqu’elle produisait plus d’électricité qu’elle n’en consommait, pendant 8,7 secondes. Elle a généré une puissance nette moyenne d’environ 2 kilowatts, avec un pic atteignant 16,5 kilowatts.
Cependant, un problème logiciel a interrompu le fonctionnement de l’installation, qui a été arrêtée par mesure de sécurité. Lors de la procédure de redémarrage, un câble électrique alimentant la pompe du fluide frigorigène a subi une défaillance, ce qui a définitivement mis fin à l’essai.

Endurance Energy compte toutefois tirer parti de cette expérience pour améliorer la conception et les tests de ses câbles sous-marins. L’installation de la centrale géothermique au-dessus d’une source hydrothermale naturelle constituait un test ponctuel, mené exclusivement à des fins de recherche et de démonstration. Endurance Energy prévoit de prendre des mesures pour limiter les éventuels impacts environnementaux sur les fonds marins et la faune marine. Le prochain test, prévu pour l’hiver 2026-2027, mettra en œuvre une unité Adélie remise à neuf et améliorée – rebaptisée Gentoo par référence au manchot papou – conçue pour permettre une importante production d’énergie.
L’entreprise développe par ailleurs un générateur commercial plus puissant, de 2 mégawatts, en vue de sa première mise en oeuvre commerciale, prévue en 2027 dans le royaume des Tonga. Cet État insulaire polynésien, situé dans le sud de l’océan Pacifique, alimente son réseau électrique principalement grâce à du diesel importé, dont le prix a considérablement augmenté depuis le début du conflit au Moyen-Orient.
Source : ARS Technica.

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I have dedicated a post 18 July 2024) to Axial Seamount, a submarine volcano located about 482 km off the coast of Oregon. It is a shield volcano structure, similar to those found in Hawaii.

By March 2024, the seamount was showing significant inflation and local scientists feared an eruption. The rise in inflation was accompanied by an increase in seismic activity. Volcanologists said that an eruption might occur between 2025 and 2026, but they admitted the unpredictability of volcanic activity. Actually, no eruption has occurred yet.

Despite the eruptive risk, researchers have just made on Axial Sealount the world’s first demonstration of a subsea geothermal power plant. It generated less than 10 seconds of net-positive electricity but showed the technical feasibility of tapping another form of renewable energy underwater.

Endurance Energy, the Seattle-based startup behind the effort, aims to eventually commercialize subsea geothermal power for Pacific island nations and other customers looking for alternatives to importing expensive fossil fuels.

Tapping geothermal power on the seafloor face many different challenges from land-based geothermal projects, which can also add up to higher installation and operational costs.

Endurance Energy’s deployment required a subsea lander drill to deploy from the ship Ocean Guardian and drill two holes in the seafloor at a depth of about 1,524 meters.

Both drilled holes started venting hot hydrothermal fluid at a temperature of about 260° C. The Endurance Energy team proceeded to case and cement the second hole before installing a valve to create a well. Next, the company deployed its 100-kilowatt power plant – named Adélie – designed to vaporize incoming hydrothermal fluid to spin a turbine and drive an electric generator. A remotely operated submersible was used to help connect the power plant to the newly drilled well.

Adélie also connected to Endurance Energy’s Seattle command center by plugging into a 900-kilometer network of undersea fiber-optic and electric cables that provides both power and connectivity to scientific sensors on the seafloor.

Everything was then ready for the Adélie power test. But a major hitch soon arose : the drilled well extending16 meters down into the seafloor was not delivering enough of the hydrothermal fluid to run the power plant.

The test well was also just 5 centimeters wide, compared to oil, gas, and onshore geothermal wells that typically have casings 50 to 90 centimeters across. Endurance Energy plans to avoid this issue in the future by drilling deeper wells to access more fluid. The company’s current lander drill can reach about 80 meters, which would be five times deeper than the initial test well.

To try running the Adélie power plant anyway, the team redeployed it to a nearby natural vent where hydrothermal fluid was already flowing out at about 281° C. Over nearly half a minute, the power plant turbine reached about 26,000 rpm and enabled the generator to produce 60 watt-hours of electricity. The power plant also became net-positive by producing more electricity than it consumed for about 8.7 seconds. It produced a median of about 2 kilowatts of net power and peaked at 16.5 kilowatts of net power.

But then a software issue brought the power run to a halt and the power plant was stopped as a safety precaution. When the team was restarting the power plant, a power cable feeding the refrigerant pump also failed, which ended the trial run, although Endurance Energy already plans to use the experience to improve how it builds and tests subsea cables.

Placing the geothermal plant on top of a natural hydrothermal vent was a one-time test for purely research and demonstration purposes. Endurance Energy plans taking steps to reduce potential environmental impacts on the seafloor and marine life.

The company’s next trial run planned for the winter of 2026 – 2027 will involve a refurbished and upgraded Adélie, renamed Gentoo, that will aim to sustain higher power generation.

The company is also developing a larger 2-megawatt commercial generator for its first planned commercial deployment with the Kingdom of Tonga in 2027. The Polynesian island nation in the South Pacific Ocean runs its power grid primarily on imported diesel fuel, which has significantly increased in price since the Middle East conflict.

Source : ARS Technica.

Réveil du volcan sous-marin Axial (États Unis) // Awakening of Axial Seamount (United States)

Situé à environ 482 km à l’ouest d’Astoria, dans l’Oregon, le volcan sous-marin Axial – Axial Seamount – est le plus jeune volcan et le principal centre éruptif actif de la chaîne Cobb-Eickelberg, une chaîne de volcans sous-marins qui se termine au sud de l’Alaska. L’Axial se trouve à l’endroit où la chaîne croise la dorsale Juan de Fuca. Sa présence est le fruit du point chaud de Cobb, mais il se trouve aussi sur une zone d’accrétion océanique entre la plaque Juan de Fuca et la plaque nord-américaine, comme on peut le voir sur la carte ci-dessous.

Carte Montrant la position de l’Axial sur la dorsale Juan de Fuca (Source : USGS)

L’Axial Seamount est le volcan le plus actif de la région nord-ouest du Pacifique. Depuis de nombreuses années, les chercheurs suivent attentivement son activité qui connaît un processus cyclique d’inflation et de déflation depuis sa dernière éruption en 2015, décrite dans ma note du 16 septembre 2015 :
https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/2015/09/16/confirmation-de-leruption-de-laxial-seamount/

En mars 2024, le soulèvement du volcan sous-marin atteignait 90 – 95 % du niveau qui a précédé l’éruption de 2015 et se rapprochait du seuil susceptible de provoquer une nouvelle éruption. L’inflation, qui avait augmenté au moment de l’éruption de 2015, avait progressivement diminué jusqu’à ces derniers temps. Cependant, à partir d’octobre 2023, on a observé une augmentation significative du soulèvement au niveau de l’Axial, qui est actuellement estimé à 5 à 6 cm par an, signe d’un réveil potentiel du volcan. La hausse de l’inflation s’accompagne d’une augmentation de l’activité sismique avec de nombreuses secousses enregistrées récemment dans la région.

Source : NOAA

Les scientifiques affirment qu’une éruption pourrait se produire entre 2025 et 2026, mais admettent leur incapacité à prévoir un tel événement. Ils soulignent l’importance d’une surveillance et de recherches cohérentes pour améliorer la prévision des éruptions.
L’Axial Seamount présente la structure d’un volcan bouclier, semblable à ceux que l’on rencontre à Hawaï; elle contribue à son modèle éruptif distinct. Le comportement de l’Axial offre aux scientifiques des informations importantes sur les processus volcaniques sous-marins et les risques qui les accompagnent
Source : The Watchers.

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Located about 482 km west of Astoria, Oregon, Axial Seamount is the youngest volcano and current eruptive center of the Cobb–Eickelberg Seamount chain, a chain of seamounts that terminates south of Alaska. Axial lies where the chain intersects with the Juan de Fuca Ridge. It is a product of the Cobb hotspot, but now sits on an ocean spreading center between the Juan de Fuca Plate and the North American Plate (see map above).

Axial Seamount is the most active volcano in the Pacific Northwest region. For many years, researchers have been keenly observing the activity of the volcano which has been undergoing a cyclical process of inflation and deflation since its last eruption in 2015 that I described in a post of September 16^th, 2015 :

https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/2015/09/16/confirmation-de-leruption-de-laxial-seamount/

By March 2024, the seamount was 90 – 95% reinflated to its pre-eruption level and was getting close to a crucial threshold that might cause another eruption. The inflation rate which originally surged at the time of the 2015 eruption has progressively decreased until recently. However, from October 2023 there has been a noticeable increase in the pace of uplift, which is now estimated at 5 – 6 cm per year, indicating a potential awakening.The rise in inflation is accompanied by an increase in seismic activity with many earthquakes rocking the region recently (see chart above).

Although no real prediction is possible, local scientists say that an eruption might occur between 2025 and 2026, but they admit the unpredictability of volcanic activity, emphasizing the importance of consistent monitoring and research to improve eruption forecasting.

Axial Seamount’s shield volcano structure, similar to those found in Hawaii, contributes to its distinct eruptive pattern. This behaviour offers scientists important information about underwater volcanic processes and their possible hazards.

Source : The Watchers.

Axial Seamount (Oregon / Etats Unis)

À partir du jeudi 23 avril 2015, les capteurs récemment mis en place dans le secteur de l’Axial ont enregistré 8000 petits séismes sur une période de 24 heures. La caldeira, qui avait gonflé sous la poussée d’une montée de magma, s’est ensuite effondrée rapidement. Les scientifiques se sont demandés si une éruption avait effectivement eu lieu, avec écoulement de la lave sur le plancher océanique. Cependant, aucun des instruments n’avait été endommagé et on n’avait relevé aucune hausse significative de température. Il se peut que du magma se soit infiltré dans des fractures souterraines en formant un dyke. La seule façon de savoir ce qui s’est passé est de visiter le site avec un navire de recherche, que vont faire les scientifiques cet été.
Malgré l’incertitude de la situation, la capacité à surveiller le déroulement de cet événement marque un jalon important pour la Scripps Institution. Exploité par l’Université de Washington, le réseau de surveillance sous-marine comprend près de 100 km de câble coaxial disposés sur le fond de l’océan. Ce cable permet d’alimenter et de transmettre les données à partir d’une foule de sismomètres, inclinomètres, échantillonneurs microbiens et autres instruments.
La plupart des instruments sont concentrés dans le centre de la caldeira de l’Axial qui mesure près de 3,5 km de large et 9 km de long. Elle est également parsemée de sources hydrothermales et de fumeurs noirs qui abritent des vers à tube ainsi que des microbes qui aiment la chaleur et se développent dans des conditions inhospitalières.
Il n’est pas facile d’atteindre le volcan sous-marin Axial. Il se trouve sous quelque 1500 mètres d’eau à environ 400 km au large des côtes. Sa dernière éruption remonte à avril 2011, mais les scientifiques ne s’en sont rendus compte que plusieurs mois plus tard, quand ils ont récupéré les instruments fonctionnant sur batterie qui avaient été déployés plus d’un an auparavant. Aujourd’hui, avec le nouveau réseau de câbles, ils peuvent surveiller le volcan quotidiennement.
Quand ils se rendront sur le site dans quelques mois, les chercheurs utiliseront des véhicules télécommandés et d’autres instruments destinés à observer le versant nord de l’Axial. Les signaux faibles émis par certains sismomètres pourraient indiquer que la lave a percé le plancher océanique. Les chercheurs voudraient aussi savoir si Axial est entré dans une phase plus active.

Source : The Seattle Times.

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For quite a long time, US scientists at Scripps Institution of Oceanography at UC San Diego and their colleagues have been studying Axial Seamount, an undersea volcano located about 400 km off the Oregon coast, at the Juan de Fuca Ridge (see my notes of August 11th and 23rd 2011, August 17th 2013 and August 4^th 2014). The seamount is geologically complex, and its origins are still poorly understood.

Beginning Thursday, April 23rd 2015, the sensors recently set up in the seamount area recorded 8,000 small earthquakes in a 24-hour period. The volcano’s caldera, which had been swelling rapidly from an influx of magma, collapsed like a deflated balloon.

Scientists are debating whether to describe what transpired as an eruption, which means lava flowed onto the seafloor. However, no instruments were destroyed and there was no obvious temperature spike, so the magma might have oozed into subterranean fissures, forming a dike. The only way to find out what happened is to visit the site with a research vessel, which the scientists will do this summer.

Despite the ambiguity, the ability to monitor the submarine event as it unfolded marks a major milestone for the underwater observatory. Operated by the University of Washington, the network includes nearly 100 km of coaxial cable on the seafloor that powers and delivers data from scores of seismometers, tiltmeters, microbial samplers and other instruments.

Most of the instruments are concentrated in the volcano’s central caldera, which is nearly 3.5 km wide and 9 km long. The caldera is also dotted with hydrothermal vents and black smokers which harbour tube worms and heat-loving microbes that thrive in the inhospitable conditions.

Axial isn’t easy to get to. It lies under 1,500 metres of water and sits about 400 km offshore. The last time the volcano erupted was in April 2011, but scientists didn’t realize it until several months later, when they retrieved battery-operated instruments deployed more than a year before. Now with the new cable network, they can keep an eye on the volcano every day.

When they visit the volcano later this year, the researchers will use remotely operated vehicles and other instruments to scrutinize Axial seamount’s northern flanks. Faint signals from some of the seismometers may hint that lava has broken through the ocean floor. The researchers are also interested in the question of whether Axial is entering a more active phase.

Source: The Seattle Times.

Sources: Scripps Institution / The Seattle Times.

La chambre magmatique du volcan sous-marin Axial // The magma chamber of Axial Seamount

Depuis de nombreuses années, les scientifiques américains de la Scripps Institution of Oceanography (Université de Californie à San Diego) étudient l’Axial Seamount, un volcan sous-marin situé à environ 400 km au large de la côte de l’Oregon, sur la dorsale Juan de Fuca (voir mes notes des 11 et 23 août 2011 et du 17 août 2013).
Avec de nouveaux outils informatiques plus puissants et des compétences analytiques innovantes, les chercheurs viennent de mettre au point l’imagerie la plus détaillée à ce jour de la volumineuse chambre magmatique située sous ce volcan actif. Ils ont utilisé une mine de données sismiques qui leur ont permis de découvrir un réservoir magmatique d’une taille comparable à celle de la Vallée de Yosemite en Californie. La description de la structure magmatique qui se cache sous le volcan Axial (qui entre en éruption environ tous les dix ans) a été présentée dans un récent numéro de la revue Geology.
Le travail des chercheurs révèle que la chambre magmatique de l’Axial, située à l’intersection de la dorsale Juan de Fuca et la chaîne Cobb-Eickleberg, s’étend sur 14 kilomètres de long, trois kilomètres de large, pour une épaisseur d’un kilomètre.
Depuis les premières données recueillies en 2002, de nouvelles techniques informatiques et d’imagerie ont permis aux scientifiques d’élaborer des images avec une fidélité sans précédent. C’est comme si l’on comparait les détails d’une radiographie du 20ème siècle à celle fournie par une IRM moderne.
Les nouvelles images font apparaître un système magmatique géométriquement complexe qui comporte plusieurs conduits – encore jamais révélés par des images – qui peuvent transporter le magma vers des sites éruptifs à la surface de la terre et ainsi soulager les pressions qui s’exercent à l’intérieur du volcan. Les images ont également révélé que seule une petite fraction du magma qui se trouve dans le volumineux réservoir est mise en œuvre au cours d’une éruption.

Source : Scripps Oceanography News

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With modern computing power and innovative analytical skills, they have recently constructed the most detailed imagery to date of the massive active magma chamber located beneath the volcano. They tapped into a trove of seismic data to uncover a magma reservoir comparable in size to California’s Yosemite Valley. The new details of the internal structure beneath Axial volcano, which erupts roughly every decade, are presented in a recent issue of the journal Geology.

According to the researchers’ study, Axial’s magma chamber, centered at the intersection of the Juan de Fuca Ridge and the Cobb hotspot chain, spans 14 kilometres long, three kilometres wide, and one kilometre thick.

Since the data first collected in 2002, new imaging and computing techniques have allowed the researchers to construct images with unprecedented fidelity. It’s like comparing details of a 20th century X-ray to a modern MRI.

The new images revealed a geometrically complex magma system that includes several never-before-imaged pathways that may transport magma to eruption sites on the earth’s surface and help relieve stress within the volcano. The images also revealed that only a small fraction of the magma in the giant reservoir is used during an eruption event.

Source : Scripps Oceanography News.

Représentation schématique du système magmatique de l’Axial. Le volcan possède un épais réservoir où le magma apparaît sous différentes nuances de rouge, selon sa consistance. Il s’étend sous une zone d’accrétion que l’on attribue à la juxtaposition de la dorsale Juan de Fuca avec la chaîne Cobb–Eickleberg. Plusieurs fractures (lignes bleues) transportent probablement la matière en fusion du réservoir vers les sites éruptifs, ce qui évacue une partie de la pression accumulée à l’intérieur volcan.

(Crédit documentaire : Geology)

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