¿Qué pasaría si pudiéramos modernizar prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón y gas del mundo para usar una fuente de energía libre de carbono en las profundidades de nuestros pies: la energía geotérmica?
Energía Quaise, una[{» attribute=»»>MIT spinout, is working to create geothermal wells made from the deepest holes in the world.
There’s an abandoned coal power plant in upstate New York that most people consider a worthless relic. MIT’s Paul Woskov, on the other hand, has a different perspective.
Woskov, a research engineer in MIT’s Plasma Science and Fusion Center, points out that the plant’s power turbine is still intact and the transmission lines still run to the grid. Using an approach he’s been developing for the last 14 years, he’s hoping it will be back online within the decade, completely carbon-free.
Indeed, Quaise Energy, the company commercializing Woskov’s research, believes if it can retrofit one power plant, the same process will work on nearly every coal and gas power plant in the world.
Tapping into the energy source deep below our feet is how Quaise is hoping to accomplish those lofty goals. The company ambitious plans call for vaporizing enough rock to create the world’s deepest holes and harvesting geothermal energy at a scale that could satisfy human energy consumption for millions of years. Although they haven’t yet solved all the related engineering challenges, Quaise’s founders have set an aggresive timeline to begin harvesting energy from a pilot well by 2026.
If the plan were based on new and unproven technology, it would be easier to dismiss as unrealistic. However, Quaise’s drilling systems center around a microwave-emitting device called a gyrotron that has been used in research and manufacturing for decades.
Quaise Energy wants to repurpose coal and gas plants into deep geothermal wells by using X-rays to melt rock. Credit: Collage by MIT News with images courtesy of Quaise Energy
“This will happen quickly once we solve the immediate engineering problems of transmitting a clean beam and having it operate at a high energy density without breakdown,” explains Woskov, who is not formally affiliated with Quaise but serves as an advisor. “It’ll go fast because the underlying technology, gyrotrons, are commercially available. You could place an order with a company and have a system delivered right now — granted, these beam sources have never been used 24/7, but they are engineered to be operational for long time periods. In five or six years, I think we’ll have a plant running if we solve these engineering problems. I’m very optimistic.”
Woskov and many other researchers have been using gyrotrons to heat material in nuclear fusion experiments for decades. It wasn’t until 2008, however, after the MIT Energy Initiative (MITEI) published a request for proposals on new geothermal drilling technologies, that Woskov thought of using gyrotrons for a new application.
“[Gyrotrons] no han sido bien publicitados en la comunidad científica en general, pero aquellos de nosotros en la investigación de fusión nos hemos dado cuenta de que estas son fuentes de rayos muy poderosas, como los láseres, pero en un rango de frecuencias diferentes», dice Woskov. «Pensé, ¿por qué no dirigir estos rayos de alta potencia, en lugar de fusionarlos[{» attribute=»»>plasma, down into rock and vaporize the hole?”
As power from other renewable energy sources has exploded in recent decades, geothermal energy has plateaued, mainly because geothermal plants only exist in places where natural conditions allow for energy extraction at relatively shallow depths of up to 400 feet beneath the Earth’s surface. At a certain point, conventional drilling becomes impractical because deeper crust is both hotter and harder, which wears down mechanical drill bits.
Paul Woskov displaying samples in his lab in 2016. Credit: Paul Rivenberg
Woskov’s idea to use gyrotron beams to vaporize rock sent him on a research journey that has never really stopped. With some funding from MITEI, he began running tests, quickly filling his office with small rock formations he’d blasted with millimeter waves from a small gyrotron in MIT’s Plasma Science and Fusion Center.
Around 2018, Woskov’s rocks got the attention of Carlos Araque ’01, SM ’02, who had spent his career in the oil and gas industry and was the technical director of MIT’s investment fund The Engine at the time.
That year, Araque and Matt Houde, who’d been working with geothermal company AltaRock Energy, founded Quaise. Quaise was soon given a grant by the Department of Energy to scale up Woskov’s experiments using a larger gyrotron.
With the larger machine, the team hopes to vaporize a hole 10 times the depth of Woskov’s lab experiments. That is expected to be accomplished by the end of this year. After that, the team will vaporize a hole 10 times the depth of the previous one — what Houde calls a 100-to-1 hole.
“That’s something [the DOE] está particularmente interesado, ya que quieren abordar los desafíos de la remoción de material en estas longitudes más largas; en otras palabras, ¿podemos demostrar que eliminamos completamente los humos de roca? Houde explica. «Creemos que la prueba 100 a 1 también nos da la confianza para salir y movilizar un prototipo de taladro girotrón en el campo para las demostraciones de campo iniciales».
Se espera que las pruebas en el hoyo 100 a 1 se completen dentro del próximo año. Quaise también espera comenzar a vapear roca en pruebas de campo a fines del próximo año. La breve línea de tiempo refleja el progreso que Woskov ya ha logrado en su laboratorio.
Aunque se necesita más investigación de ingeniería, el equipo espera poder perforar y operar estos pozos geotérmicos de manera segura. «Creemos, a través del trabajo de Paul en el MIT durante la última década, que la mayoría, si no todas, las preguntas fundamentales de la física han sido respondidas y resueltas», dice Houde. “Estos son realmente desafíos de ingeniería que tenemos que enfrentar, lo que no significa que sean fáciles de resolver, pero no estamos trabajando en contra de las leyes de la física, para las cuales no hay respuestas. Se trata más de superar algunas de las consideraciones más técnicas y de costos para que funcione a escala. »
La compañía planea comenzar a recolectar energía de pozos geotérmicos piloto que alcanzan temperaturas de roca de hasta 500 °C (932 °F) para 2026. A partir de ahí, el equipo espera comenzar a reasignar plantas de carbón y gas natural utilizando su sistema.
“Creemos que si podemos excavar hasta 20 kilómetros, podemos acceder a estas temperaturas extremadamente altas en más del 90% de los lugares del mundo”, dijo Houde.
El trabajo de Quaise con el DOE aborda lo que él ve como las preguntas más importantes que quedan sobre la perforación de pozos de profundidad y presión sin precedentes, como la eliminación de material y la determinación del mejor revestimiento para mantener el pozo estable y abierto. Para este problema final de estabilidad del pozo, Houde cree que se necesita un modelo informático adicional y espera completar este modelo para fines de 2024.
Al perforar los agujeros en las centrales eléctricas existentes, Quaise podrá moverse más rápido que si tuviera que obtener permisos para construir nuevas centrales eléctricas y líneas de transmisión. Y al hacer que su equipo de perforación de ondas milimétricas sea compatible con la flota mundial existente de plataformas de perforación, también permitirá a la empresa acceder a la fuerza laboral de la industria mundial del petróleo y el gas.
“Con estas altas temperaturas [we’re accessing], producimos vapor que está muy cerca, si no mejor, que la temperatura a la que operan las centrales eléctricas de carbón y gas actuales”, dice Houde. «Así que podemos ir a las plantas de energía existentes y decir: ‘Podemos reemplazar del 95% al 100% de su consumo de carbón mediante el desarrollo de un campo geotérmico y la producción de vapor de la Tierra a la misma temperatura que quema el carbón para hacer funcionar su turbina, directamente». reemplazando las emisiones de carbono.
Transformar los sistemas energéticos del mundo en tan poco tiempo es algo que los Fundadores consideran esencial para ayudar a evitar los escenarios de calentamiento global más catastróficos.
“Ha habido grandes ganancias en energía renovable durante la última década, pero el panorama general actual es que no nos estamos moviendo lo suficientemente rápido para alcanzar los hitos que necesitamos para limitar los peores impactos del cambio climático”, dice Houde. «[Deep geothermal] es un recurso energético que puede escalar en cualquier lugar y tiene la capacidad de aprovechar una gran fuerza laboral de la industria energética para volver a capacitar fácilmente sus habilidades para una fuente de energía completamente libre de carbono.