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Islande : la géothermie au cœur d’un volcan // Iceland : geothermy at the heart of a volcano

Des chercheurs et des scientifiques ont élaboré un projet visant à repousser les limites de l’énergie renouvelable en forant au cœur de la chambre magmatique d’un volcan. Initié en 2014, l’ambitieux projet, baptisé Krafla Magma Testbed (KMT), vise à exploiter la chambre magmatique du Krafla, dans le nord de l’Islande, d’ici 2026.

Pour mener le projet à son terme, KMT recherche un financement de 100 millions de dollars et prévoit de commencer les forages d’ici 2027. KMT est une alliance internationale qui vise à réaliser « la première entreprise de recherche sur le magma pour effectuer des études et des expériences de pointe ». Le projet est porté par des scientifiques et des ingénieurs de 38 instituts de recherche et entreprises de onze pays dont les Etats-Unis, le Royaume-Uni et la France. Si elle réussit, cette stratégie permettra une production d’énergie géothermique sans précédent et ouvrira la voie à une alimentation énergétique illimitée dans toute l’Islande.
Le Krafla présente une caldeira volcanique d’une dizaine de kilomètres de diamètre et une zone de fissures de 90 kilomètres de long. Le volcan est l’un des systèmes géothermiques les plus étudiés. C’est le site de la première centrale géothermique du pays.

La chambre magmatique du Krafla se trouve à une profondeur relativement faible, entre 1,5 et 3 km seulement sous la surface, avec des températures atteignant 1 300°C. Elle  a attiré l’attention de manière tout à fait inattendue en 2009 lors d’un projet de forage géothermique pour le compte de la société Landsvirkjun. Un trépan a rencontré par hasard une poche magmatique près du Krafla, à 2,1 km de profondeur. L’incident n’a pas provoqué d’éruption volcanique, ce qui montre qu’un forage directement dans le magma peut être effectué en toute sécurité. A des kilomètres sous terre, la roche atteint des températures si extrêmes que les fluides rencontrés sont dits « supercritiques », c’est-à-dire au comportement intermédiaire entre l’état liquide et gazeux. L’énergie produite y est cinq à dix fois plus importante qu’avec un puits conventionnel. Lors de l’accident de 2009, la vapeur remontant à la surface a atteint 450°C. Deux puits supercritiques suffiraient pour atteindre la puissance de 60 mégawatts, ce que génère la centrale actuellement avec 18 puits conventionnels.
Le financement de 100 millions de dollars permettra d’accélérer l’avancement de ce projet grâce à l’acquisition des équipements de forage les plus performants, capables de résister à des températures extrêmement élevées. KMT a également l’intention de déployer un ensemble de capteurs haute technologie pour surveiller en permanence différents paramètres du magma, notamment sa température. L’équipe KMT s’est fixé un calendrier ambitieux, visant à exploiter la chambre magmatique du Krafla d’ici 2026.
D’un coût de 25 millions de dollars, la première phase de forage prévoit plusieurs trous d’exploration autour  du magma. Le forage, maintenu ouvert, permettra ensuite d’atteindre le magma et de prélever des échantillons. Grâce à cette exploration directe, les scientifiques de KMT espèrent améliorer leur compréhension du magma et de ses propriétés. KMT prévoit de procéder ensuite à un deuxième forage pour examiner la faisabilité de l’exploitation de l’énergie géothermique.
L’énergie géothermique est utilisée en Islande depuis plusieurs années grâce à un processus qui suppose des forages dans des régions dont le sous-sol est à haute température afin d’exploiter la chaleur naturelle de la Terre. La chaleur en provenance de l’intérieur de la Terre chauffe l’eau des réservoirs souterrains et la transforme en vapeur. Cette vapeur est ensuite canalisée à l’aide d’une tuyauterie vers des turbines reliées à des générateurs qui convertissent l’énergie en électricité. En Islande, cette stratégie s’est avérée efficace pour produire de l’électricité et répondre à une grande partie des besoins énergétiques de la population.

Avec la réussite du projet, l’Islande anticipe un bouleversement de son paysage énergétique. Le projet KMT pourrait non seulement transformer la production d’énergie en Islande, mais aussi servir de modèle pour d’autres régions volcaniques à travers le monde, tant sur terre qu’en mer.
Source  : Interesting Engineering.
Remarque personnelle : le projet KMT est ambitieux, mais il ne devra pas oublier que le Krafla est un volcan actif dont les éruptions peuvent être très spectaculaires. Le choix des emplacements des forages et des infrastructures devra se faire avec le plus grand soin pour éviter leur destruction par un accès de colère du volcan.

Photos: C. Grandpey

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Researchers and scientists have worked out a project to transform the renewable energy landscape by drilling into the heart of a volcano’s magma chamber. Initiated in 2014, the ambitious Krafla Magma Testbed (KMT) project aims to tap into the magma chamber of Krafla in northern Iceland by 2026.

To make this vision a reality, KMT is actively seeking 100 million dollars in funding, with plans to begin drilling by 2027. KMT is an international initiative that seeks to construct the « world’s first magma research facility for advanced studies and experiments. » The project is led by scientists and engineers from 38 research institutes and companies from eleven countries including the United States, the United Kingdom and France. If successful, this strategy would allow for unparalleled geothermal energy output, opening the path to provide a limitless energy supply to houses across Iceland.

Krafla evinces a volcanic caldera with a diameter of around ten kilometers and a 90-kilometer-long fissure zone. It is recognized as one of the most extensively studied geothermal systems. It is the site of the country´s first geothermal power station.

Krafla’s magma chamber is located at a relatively short depth of only 1.5 – 3 km below the surface, with temperatures reaching 1,300°C.

The shallow depth of Krafla’s magma chamber gained attention unexpectedly in 2009 during a geothermal drilling project for the Iceland energy company Landsvirkjun. The project unexpectedly encountered a magma chamber near the Krafla volcano, at a depth of 2.1 km. The fact that the crew was not immediately faced with a volcanic eruption provided reassuring evidence that drilling into magma could be done safely. Kilometers underground, the rock reaches temperatures so extreme that the fluids encountered are called « supercritical », that is to say with intermediate behavior between the liquid and gaseous state. The energy produced there is five to ten times greater than in a conventional well. During the 2009 accident, the steam rising to the surface reached 450°C. Two supercritical wells would be enough to reach the power of 60 megawatts that the plant currently generates with 18 conventional wells.

The 100-million-dollar funding will expedite the advancement of this project by enabling the acquisition of advanced drilling equipment capable of withstanding higher temperatures.  KMT also intends to deploy a set of high-tech sensors to continually monitor different magma parameters, including temperature.

The first phase of drilling should be carried out by 2026 or 2027. Costing $25 million, it includes several exploration holes around and below the magma. The drilling, kept open, will make it possible to reach the magma and take samples.

The first borehole is likely to be drilled by either 2026 or 2027. Through this direct exploration, KMT scientists aim to enhance their understanding of magma and its properties. Following this, KMT plans to drill a second borehole to examine the feasibility of harnessing geothermal energy.

Geothermal energy has been utilized in Iceland for several years through a process that involves drilling into hot underground regions to tap into the Earth’s natural heat. The heat from the Earth’s interior causes water in these underground reservoirs to become hot and turn into steam. This steam is then channeled to drive turbines connected to generators, converting the energy into electricity. In Iceland, this strategy has proven effective in producing power and meeting a large amount of the country’s energy requirements.

As the project unfolds, Iceland anticipates a revolutionary shift in its energy landscape, harnessing the power of volcanoes to provide a renewable and sustainable source of electricity for homes and industries. The KMT project could not only transform energy production in Iceland, but also serve as a model for other volcanic regions around the world, both on land and at sea.

Source : Interesting Engineering.

Personal note: the KMT project is ambitious, but it should not forget that Krafla is an active volcano whose eruptions can be very spectacular. The choice of drilling and infrastructure locations should be made with the greatest care to avoid their destruction by the volcano’s anger.

Voyage au centre de la Terre // Journey to the centre of the Earth

Comme je l’ai souvent écrit sur ce blog, nous connaissons plein de détails sur la surface d’autres planètes comme Mars, Jupiter ou Vénus, mais nous ne savons que très peu de choses sur le fond de nos océans, et encore moins sur la structure interne de notre propre planète. En particulier, nous n’avons jamais observé le magma sous la surface de la Terre. Un projet sur le point de débuter en Islande pourrait contribuer à améliorer nos connaissances dans ce domaine.
Le site choisi pour ce projet est Víti, un petit cratère avec un lac à l’intérieur, dans la caldeira de 10 kilomètres du volcan Krafla, dans le nord-est de l’Islande.
En 2009, un forage dont le but était de faire remonter de l’eau chaude pour l’énergie géothermique dans cette région de l’Islande a accidentellement percé une chambre magmatique dont personne ne soupçonnait l’existence. L’incident a provoqué l’émission d’un puissant panache de vapeur et d’éclats de verre volcanique. Le forage a créé le puits géothermique le plus chaud de tous les temps, jusqu’au jour où le tubage s’est brisé. Les échantillons de verre volcanique collectés ont laissé supposer que le magma était non seulement liquide, mais aussi qu’il circulait. Mais peu de choses ont été révélées sur la taille de la chambre magmatique ou sur sa durée d’existence.
Avec le nouveau projet, les chercheurs vont utiliser un équipement plus robuste et créer le seul pôle d’observation du magma dans le monde. Les résultats obtenus pourraient expliquer comment le magma se déplace à travers la croûte, mais aussi améliorer la prévision éruptive. Ils pourraient également apporter une lumière sur la formation et la croissance des continents.
Le projet baptisé Krafla Magma Testbed (KMT) est financé par l’International Continental Scientific Drilling Program. Avec ce soutien, ainsi que plusieurs millions de dollars de financement d’organismes islandais et d’autres agences scientifiques européennes, le projet vient d’entrer dans sa phase de préparation.. Le premier forage, d’un coût de 25 millions de dollars, pourrait commencer dès 2023.
Comme ils n’ont pas la possibilité d’étudier directement le magma dans les profondeurs de la Terre, les volcanologues s’appuient sur les mesures de surface des sismomètres, des capteurs GPS et des satellites radar pour essayer de deviner ses mouvements. Ils peuvent examiner d’anciennes chambres magmatiques solidifiées, mais ces restes géologiques ne fournissent pas suffisamment d’éléments. Ils peuvent étudier la lave à la surface, mais les échantillons qu’ils collectent ont perdu la plupart des gaz qui provoquent les éruptions et dont dépendent la température, la pression et la composition d’origine du magma. Les cristaux, les inclusions et les bulles dans la lave durcie contiennent toutefois des indices sur son état d’origine. Un échantillon de la chambre magmatique du Krafla indiquera aux chercheurs si ces estimations sont vraiment fiables. Obtenir un tel échantillon révélera également la vraie nature de la chambre magmatique.
Le projet KMT pourrait permettre de répondre aux questions de base sur la matière première de la croûte continentale. Les fonds marins dans le monde et une grande partie de l’Islande prennent forme à partir de magma basaltique, c’est à dire à peu près la même substance qui existe dans le manteau. Mais les roches granitiques des continents se forment à partir d’un magma rhyolitique riche en silice qui se trouve probablement sous le site du projet KMT. Personne n’est sûr de l’origine du magma qui forme les continents ; on pense que le magma basaltique altéré par l’eau de mer est soumis à une nouvelle fusion et finit par être émis par les volcans sous forme de rhyolite. Des échantillons de rhyolite provenant d’Islande – où le basalte est majoritaire – pourraient fournir une fenêtre sur le fonctionnement de ce processus dans le monde.
Un but du projet KMT est de collecter plusieurs échantillons au fil du temps et d’intégrer des capteurs dans et à proximité du magma pour mesurer la chaleur, la pression et même la chimie malgré des températures supérieures à 1000°C. Les partenaires de forage de KMT testent des techniques qui pourraient permettre au revêtement en acier du puits de se dilater et de se contracter en cas de chaleur extrême. D’autres partenaires développent une électronique innovante pour résister à la chaleur et à la pression. Une telle technologie pourrait un jour être utilisée sur Vénus.
Ces innovations technologiques pourraient également profiter aux nombreuses entreprises islandaises qui s’investissent dans l’énergie géothermique. Se rapprocher d’une poche magmatique pourrait augmenter considérablement le potentiel énergétique des puits individuels, comme on a pu le voir avec le puits foré 2009 qui, à lui seul, aurait pu alimenter une petite ville.
Il est probable que les grandes quantités d’eau injectées dans le puits pour refroidir et lubrifier la foreuse perturberont un peu le système volcanique, et les géophysiciens surveilleront de près l’évolution du forage. Il ne faudrait pas que l’entreprise déclenche une éruption!

Les changements dans la vitesse des ondes sismiques après le forage pourraient donner des indications sur l’étendue du magma. L’observation de ces changements subtils pourrait également aider à prévoir les futures éruptions rhyolitiques. Bien que les scientifiques aient progressé dans la détection des signes avant-coureurs d’une éruption volcanique, il reste beaucoup à faire car les fausses alertes sont nombreuses.
Source : Adapté d’un article publié sur le site Science.org.

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As I often wrote on this blog, we know details about the surface of other planets like Mars, Jupiter or Venus, but we know very little about the bottom of our oceans or about the inner structure of our own planet. In particular, we have never observed magma below the Earth’s surface.A project about to start in Iceland might help to improve our knowledge in that field.

The site of the research is the Víti crater, a small craterfilled with a lake within Krafla volcano’s 10-kilometre caldera.

In 2009, drillers trying to tap hot water for geothermal energy in this region of Iceland accidentally pierced a hidden magma chamber. Following a powerful emission of steam and glass shards from quenched magma, the borehole created the hottest geothermal well ever measured, until the casing failed. However, the glassy bits from the 2009 drilling campaign hinted that the magma was not only liquid, but also circulating, interacting with melt lower down. But little was revealed about the magma chamber’s size or how long it had persisted.

This time, researchers are going to use hardier equipment to create the world’s only long-term magma observatory. Results could help explain how magma moves through the crust, while improving eruption forecasts. They could also shed light on how the continents formed and grew.

The project called Krafla Magma Testbed (KMT) is financed by the International Continental Scientific Drilling Program. With that support, along with several million dollars in funding from Iceland and other European science agencies, the project has just entered its preparation phase. The first borehole, costing as much as $25 million, could begin as soon as 2023.

As they are unable to study magma directly, volcanologists rely on surface measurements from seismometers, GPS sensors, and radar satellites to guess its movements. They can examine ancient solidified magma chambers, but those remnants are incomplete,They can study lava at the surface, but the samples they collect have lost most of the trapped gases that drive eruptions and influence the magma’s original temperature, pressure, and composition. Crystals, inclusions, and bubbles in the hardened lava hold clues to its original state. But a sample from the Krafla chamber will tell researchers whether those estimates really reliable. Getting a sample will also reveal the true nature of the magma chamber.

KMT will also help answer basic questions about the raw material of continental crust. The world’s sea floors, and much of Iceland, take shape from basaltic magma, much the same stuff that exists in the mantle. But the granite rocks of the continents form from a silica-rich “rhyolitic” magma that is thought to lie below the KMT site. No one is sure how the continent-forming magma originates; one idea is that basaltic magma gets altered by seawater, remelts, and eventually erupts from volcanoes as rhyolite. Samples of rhyolite from basalt-dominated Iceland could provide a window on how this process works worldwide.

KMT intends to collect multiple samples over time and embed sensors in and near the magma to measure heat, pressure, and even chemistry despite temperatures of more than 1000°C. KMT’s drilling partners are testing flexible couplings that can allow the steel liner of the well to expand and contract with extreme heat. And others are developing innovative electronics to withstand the heat and pressure, which could someday be used on Venus.

The technologies could also benefit Iceland’s many geothermal energy companies. Getting closer to magma could dramatically increase the power potential of individual wells, as was clearly seen with the accidental 2009 well, which on its own could have powered a small city.

The large amounts of water injected to cool and lubricate the drill will likely perturb the volcanic system a bit, and geophysicists will be watching closely. Changes in the speed of seismic waves after drilling could reveal the magma’s extent, Watching these subtle changes could also help with predicting future rhyolite eruptions. Although scientists have made progress at detecting a volcano’s warning signs, false alarms abound.

Source: Adapted from an article published on the website Science.org.

 

Le lac Viti

Géothermie dans la région du Krafla

Dans la caldeira du Krafla

Photos: C. Grandpey