Islandia chce zajrzeć do wnętrza wulkanu i sprawdzić, czy ciepło magmy może stać się źródłem ogromnych ilości czystej energii. Impulsem do tych planów był przypadkowy odwiert z 2009 r., który zakończył się zarówno sukcesem, jak i poważną awarią.
- W 2009 r. islandzcy inżynierowie przypadkowo przewiercili komorę magmową. Na głębokości około 2,1 km natrafili na magmę o temperaturze sięgającej 900 st. C.
- Odwiert IDDP-1 dostarczał parę o temperaturze przekraczającej 450 st. C. i ciśnieniu do 140 barów. Szacowana moc instalacji wynosiła około 36 MW.
- Eksperyment zakończyła korozja i awaria zaworów. Doświadczenia z IDDP-1 stały się jednak podstawą projektu KMT, którego wiercenia mają rozpocząć się w 2027 r.
Na Islandii doszło do jednego z najbardziej niezwykłych eksperymentów w historii energetyki geotermalnej. W 2009 r. inżynierowie pracujący przy projekcie Iceland Deep Drilling Project (IDDP) nie planowali dotarcia do magmy. Ich celem było znalezienie wody w stanie nadkrytycznym na głębokości przekraczającej 4 km. Wiertło zatrzymało się jednak znacznie wcześniej.
Na głębokości około 2,1 km natrafiono na świeże szkliwo wulkaniczne. Badania wskazały, że odwiert przeciął komorę zawierającą magmę o temperaturze sięgającej około 900 st. C. Zamiast natychmiast zakończyć projekt, operatorzy zdecydowali się wykorzystać nieplanowane odkrycie do sprawdzenia, czy ekstremalne ciepło może zostać przekształcone w źródło energii.
IDDP-1 pokazał niezwykły potencjał
Odwiert nazwany IDDP-1 został odpowiednio zabezpieczony, a następnie przez wiele miesięcy przygotowywano go do kontrolowanej eksploatacji. Inżynierowie zastosowali stalową obudowę i rozwiązania pozwalające na pracę w bezpośrednim sąsiedztwie niezwykle gorącej magmy.
Kiedy system uruchomiono, z odwiertu zaczęła wydobywać się para o temperaturze przekraczającej 450 st. C. Ciśnienie dochodziło do 140 barów. Parametry te sprawiły, że IDDP-1 został uznany za wyjątkowy przykład wykorzystania ciepła znajdującego się bezpośrednio przy stopionej skale.
Najważniejsze okazały się jednak możliwości energetyczne. Szacunki wskazywały, że odwiert mógł osiągnąć moc około 36 MW. To wielokrotnie więcej niż typowy komercyjny odwiert geotermalny. W zależności od przyjętego porównania mowa była nawet o pięcio- do dziesięciokrotnie większej produkcji energii.
Dlaczego temperatura ma tutaj tak duże znaczenie?
Tradycyjna geotermia wykorzystuje wodę i parę znajdujące się pod ziemią. Na Islandii temperatura płynu pozyskiwanego z typowych odwiertów może wynosić około 250 st. C. Taki czynnik trzeba następnie odpowiednio przygotować przed wykorzystaniem go do napędzania turbin.
Czytaj również: Naukowcy odkryli gwiazdę większą niż Układ Słoneczny. „Emituje gigantyczną ilość energii”
W przypadku IDDP-1 sytuacja była zupełnie inna. Po przekroczeniu temperatury krytycznej woda, czyli około 374 st. C. przy odpowiednim ciśnieniu, przechodzi w stan nadkrytyczny. Nie zachowuje się wtedy jak zwykła ciecz ani jak klasyczna para.
Dla energetyki oznacza to znacznie większą ilość energii możliwej do uzyskania z określonej ilości substancji. Właśnie dlatego pojedynczy odwiert pracujący w takich warunkach może potencjalnie dostarczać energię porównywalną z wieloma standardowymi odwiertami.
To ważna perspektywa również z ekonomicznego punktu widzenia. Jeżeli większą moc można uzyskać z mniejszej liczby odwiertów, ograniczeniu mogą ulec koszty budowy całej instalacji.
Eksperyment zakończyła korozja
Rekordowe parametry wiązały się jednak z równie poważnymi problemami technicznymi. Ekstremalne warunki szybko zaczęły niszczyć elementy instalacji. Para niosła ze sobą między innymi związki siarki i inne substancje, które przyspieszały korozję.
Problem okazał się na tyle poważny, że trwałość infrastruktury została mocno ograniczona. Ostatecznie w lipcu 2012 r. awaria kilku zaworów powierzchniowych zmusiła operatorów do zastosowania zimnej wody w celu opanowania sytuacji.
Nagła zmiana temperatury wywołała duże naprężenia w konstrukcji. Wewnętrzna obudowa odwiertu skurczyła się i uległa uszkodzeniu. W ten sposób eksperyment IDDP-1 dobiegł końca.
Paradoksalnie zakończenie projektu nie oznaczało całkowitej porażki. Każda awaria dostarczyła informacji o tym, z czym muszą zmierzyć się konstruktorzy, jeśli podobne systemy mają w przyszłości działać przez długi czas.
Kolejny etap: tym razem magma ma być celem
Doświadczenia zdobyte podczas IDDP-1 stały się podstawą kolejnych planów badawczych. Projekt Krafla Magma Testbed, znany jako KMT, zakłada znacznie bardziej świadome podejście do kontaktu z magmą.
Planowane są dwa odwierty. Pierwszy z nich, KMT-1, ma umożliwić umieszczenie aparatury pomiarowej bezpośrednio w komorze magmowej. Celem jest stworzenie swego rodzaju „obserwatorium magmy”, które pozwoli naukowcom badać jej właściwości w warunkach, których nie da się odtworzyć w laboratorium.
Drugi odwiert, KMT-2, ma zostać umieszczony nad komorą magmową. Jego zadaniem będzie sprawdzenie, czy możliwe jest stabilne i długotrwałe wykorzystywanie ogromnego ciepła znajdującego się w jej bezpośrednim sąsiedztwie.
Według przedstawionych planów oba przedsięwzięcia mają wejść w fazę wierceń w 2027 r.
Islandzki eksperyment może mieć znaczenie daleko poza wyspą
Największym problemem pozostaje stworzenie infrastruktury odpornej na ekstremalne warunki. Inżynierowie muszą poradzić sobie jednocześnie z korozją, ogromnymi różnicami temperatur, naprężeniami materiałów oraz problemami związanymi z trwałym uszczelnieniem odwiertów.
Jeśli uda się opracować rozwiązania pozwalające bezpiecznie i ekonomicznie eksploatować takie źródła, geotermia wykorzystująca ciepło magmy może stać się interesującym uzupełnieniem obecnych technologii odnawialnych.
Potencjalnie nie chodzi przy tym wyłącznie o Islandię. Podobne warunki występują między innymi w Japonii, Indonezji, we Włoszech czy w zachodniej części Stanów Zjednoczonych. Sukces islandzkich badań mógłby więc stworzyć model możliwy do wykorzystania w innych regionach aktywnych wulkanicznie.