พลังงานความร้อนใต้พิภพเป็นพลังงานหมุนเวียนที่หมุนเวียนตลอดเวลา เว็บตรง ซึ่งหมุนเวียนอยู่เบื้องหลังมานานหลายทศวรรษ ไม่เคยแตกออกจากช่องเล็กๆ ของมันเลย ทำให้ผู้เชี่ยวชาญด้านพลังงานพูดว่า “โอ้ ใช่ ความร้อนใต้พิภพ … เกิดอะไรขึ้นกับมัน? ”
หลังจากรายงานเกี่ยวกับพลังงานมาประมาณ 15 ปี ในที่สุดฉันก็ใช้เวลาในการดำน้ำลึกลงไปในความร้อนใต้พิภพ และมาเพื่อรายงาน: นี่เป็นเวลาที่ดีที่จะเริ่มให้ความสนใจ!
หลังจากล้มเหลวในการเปิดตัวมาหลายปี
บริษัทและเทคโนโลยีใหม่ๆ ได้นำความร้อนใต้พิภพออกจากความซบเซา จนถึงจุดที่ในที่สุดก็พร้อมที่จะขยายขนาดและกลายเป็นผู้เล่นหลักในด้านพลังงานสะอาด ในความเป็นจริง หากผู้สนับสนุนที่มีความกระตือรือร้นมากกว่านั้นถูกต้อง ความร้อนใต้พิภพอาจเป็นกุญแจสำคัญในการทำให้ไฟฟ้าสะอาด 100 เปอร์เซ็นต์มีให้สำหรับทุกคนในโลก และข้อดีอีกอย่างคือ เป็นโอกาสสำหรับอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซที่กำลังดิ้นรนที่จะใช้เงินทุนและทักษะในการทำงานกับสิ่งที่จะไม่ทำให้โลกเสื่อมโทรม
Vik Rao อดีตหัวหน้าเจ้าหน้าที่เทคโนโลยีของ Halliburton บริษัทยักษ์ใหญ่ด้านบริการแหล่งน้ำมัน เพิ่งบอกกับบล็อก Heat Beatว่า “ความร้อนใต้พิภพไม่ได้เป็นเพียงการเล่นเฉพาะอีกต่อไป มันสามารถปรับขนาดได้ มีความเป็นไปได้สูง ความสามารถในการปรับขนาดได้รับความสนใจจากอุตสาหกรรม [บริการน้ำมัน]”
ในโพสต์นี้ ฉันจะพูดถึงเทคโนโลยีที่มุ่งสร้างความร้อนจากพื้นโลก ซึ่งสามารถใช้เป็นความร้อนโดยตรงสำหรับชุมชน เพื่อผลิตไฟฟ้า หรือทำทั้งสองอย่างผ่าน “โคเจนเนอเรชั่น” ของความร้อนและไฟฟ้า (โปรดทราบว่าปั๊มความร้อนจากแหล่งกราวด์ ซึ่งใช้ประโยชน์จากอุณหภูมิพื้นโลกตื้นที่คงที่เพื่อให้ความร้อนแก่อาคารหรือกลุ่มอาคาร บางครั้งก็รวมอยู่ในเทคโนโลยีความร้อนใต้พิภพ แต่ฉันจะทิ้งมันไว้เพื่อโพสต์แยกต่างหาก)
ก่อนที่เราจะพูดถึงเทคโนโลยี เรามาดูพลังงานความร้อนใต้พิภพกันก่อนดีกว่า
อุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตนเปิดทางเข้ามอนทานาหลังการปิดตัวของโรคระบาด
ผู้เยี่ยมชมถ่ายภาพคุณลักษณะความร้อนใต้พิภพที่ทุกคนชื่นชอบ: Old Faithful ใน Yellowstone Park รูปภาพ William Campbell / Getty
พลังงานความร้อนใต้พิภพคืออะไร?
เกร็ดน่ารู้: แกนหลอมเหลวของโลกซึ่งอยู่ห่างออกไป 4,000 ไมล์ มีความร้อนพอๆ กับพื้นผิวดวงอาทิตย์ประมาณ 6,000°C หรือ 10,800°F นั่นเป็นเหตุผลที่อุตสาหกรรมพลังงานความร้อนใต้พิภพชอบเรียกมันว่า “ดวงอาทิตย์อยู่ใต้เท้าของเรา” ความร้อนได้รับการเติมเต็มอย่างต่อเนื่องโดยการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ที่อัตราการไหลประมาณ30 เทราวัตต์ซึ่งใช้พลังงานของมนุษย์เกือบสองเท่า กระบวนการดังกล่าวคาดว่าจะดำเนินต่อไปเป็นเวลาหลายพันล้านปี
January 6 Committee Votes On Contempt Charges Against Trump Aides
โครงการ ARPA-E AltaRock Energy ประมาณการว่า “เพียง 0.1% ของปริมาณความร้อนของโลกสามารถจัดหาความต้องการพลังงานทั้งหมดของมนุษยชาติเป็นเวลา 2 ล้านปี” มีพลังงานเพียงพอในเปลือกโลก ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่ไมล์ เพื่อเสริมพลังให้กับอารยธรรมมนุษย์ทั้งหมดสำหรับคนรุ่นต่อ ๆ ไป สิ่งที่เราต้องทำคือแตะที่มัน
การแตะเข้าไปนั้นกลับกลายเป็นว่าค่อนข้างยุ่งยาก
วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำเช่นนี้คือการใช้ความร้อนโดยตรงในบริเวณที่พื้นผิวแตก ในน้ำพุร้อน กีย์เซอร์ และฟูมาโรล (ช่องระบายไอน้ำใกล้กับภูเขาไฟ) น้ำอุ่นสามารถใช้สำหรับอาบน้ำหรือซักผ้า และใช้ความร้อนสำหรับปรุงอาหาร การใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพด้วยวิธีนี้มีมาตั้งแต่มนุษย์ยุคแรกสุด โดยอย่างน้อยต้องย้อนกลับไปถึงยุคยุคกลางตอนกลาง
ความซับซ้อนมากขึ้นเล็กน้อยคือการแตะแหล่งกักเก็บความร้อนใต้พิภพที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติใกล้กับพื้นผิวเพื่อให้ความร้อนแก่อาคาร ในยุค 1890 เมืองบอยซี รัฐไอดาโฮ ได้ใช้ระบบหนึ่งเพื่อสร้างระบบทำความร้อนแบบเขตแห่งแรกของสหรัฐฯ โดยที่แหล่งความร้อนจากศูนย์กลางแหล่งเดียวจะป้อนเข้าสู่อาคารพาณิชย์และที่พักอาศัยหลายแห่ง (ตัวเมืองบอยซียังใช้อยู่)
หลังจากนั้นก็มาขุดลึกและใช้ความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพเชิงพาณิชย์แห่งแรกในสหรัฐฯ เปิดขึ้นในปี 2503 ในเมืองกีย์เซอร์ รัฐแคลิฟอร์เนีย ปัจจุบันมีการดำเนินงานมากกว่า 60 แห่งในสหรัฐอเมริกา
เทคโนโลยีสำหรับการเข้าถึงความร้อนใต้พิภพลึกกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วในทุกวันนี้ มาดูรูปแบบพื้นฐานกัน ตั้งแต่สร้างไปจนถึงทดลองกัน
ความหลากหลายของพลังงานความร้อนใต้พิภพ
DOE
เทคโนโลยีพลังงานความร้อนใต้พิภพพื้นฐานสี่ประเภท
เมื่อไปถึงพื้นผิว พลังงานความร้อนใต้พิภพจะถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย สาเหตุหลักมาจากการใช้ความร้อนหลายวิธี ขึ้นอยู่กับความร้อนของทรัพยากร มันสามารถถูกเอารัดเอาเปรียบโดยหลายอุตสาหกรรม แทบทุกระดับของความร้อนสามารถนำมาใช้โดยตรง ในการทำประมงหรือเรือนกระจก ซีเมนต์แห้ง หรือ (ของร้อนจริงๆ) เพื่อผลิตไฮโดรเจน
ในการผลิตไฟฟ้าต้องใช้ความร้อนขั้นต่ำที่สูงขึ้น โรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพรุ่นเก่าใช้ไอน้ำจากพื้นดินโดยตรง หรือของเหลว “พุ่ง” จากพื้นดินเป็นไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหัน (มลพิษทางน้ำและอากาศที่เกี่ยวข้องกับโครงการพลังงานความร้อนใต้พิภพยุคแรกนั้นมาจากพืชแฟลช ซึ่งต้มน้ำจากใต้ดินและจบลงด้วยการปล่อยก๊าซทุกอย่างในนั้น รวมถึงมลพิษที่น่ารังเกียจด้วย)
พืชแฟลชต้องการความร้อนอย่างน้อย 200°C พืช “ไบนารี”
ที่ใหม่กว่าจะใช้ของเหลวจากพื้นดินผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน จากนั้นจึงใช้ความร้อนเพื่อพ่นไอน้ำ (หมายความว่าน้ำใต้ดินไม่ได้ต้มโดยตรงและไม่มีมลพิษทางอากาศหรือทางน้ำ) โรงงานไบนารีสามารถผลิตไฟฟ้าได้ตั้งแต่ประมาณ 100 องศาเซลเซียสขึ้นไป
แผนภาพแสดงการใช้ความร้อนใต้พิภพโดยตรง
จีโอวิชั่น
การให้ความร้อนกับพื้นผิวเป็นเคล็ดลับ เพื่อจุดประสงค์นั้น จะเป็นประโยชน์ที่จะนึกถึงเทคโนโลยีพลังงานความร้อนใต้พิภพที่แบ่งออกเป็นสี่ประเภทกว้างๆ
1) แหล่งความร้อนใต้พิภพทั่วไป
ในบางพื้นที่ (คิดว่าเป็นส่วนหนึ่งของไอซ์แลนด์หรือแคลิฟอร์เนีย) น้ำหรือไอน้ำที่ร้อนจากแกนโลกจะลอยขึ้นผ่านหินที่ค่อนข้างซึมผ่านได้ ซึ่งเต็มไปด้วยรอยแยกและรอยแตก เพียงเพื่อจะติดอยู่ใต้หินผาที่ผ่านไม่ได้ แหล่งกักเก็บน้ำร้อนแรงดันสูงขนาดยักษ์เหล่านี้มักจะเปิดเผยตัวเองบนผิวน้ำผ่าน fumaroles หรือน้ำพุร้อน
แผนภาพแสดงการทำงานของระบบความร้อนใต้พิภพ
DOE
เมื่อมีการตั้งอ่างเก็บน้ำแล้ว หลุมสำรวจจะถูกเจาะจนกว่าจะสามารถหาตำแหน่งที่เหมาะสมสำหรับหลุมผลิตได้ น้ำร้อนที่ไหลผ่านบ่อน้ำนั้นสามารถมีอุณหภูมิตั้งแต่เกินอุณหภูมิแวดล้อมไปจนถึง 370 องศาเซลเซียส ขึ้นอยู่กับพื้นที่ (เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ร้อนกว่านั้นจะต้องลงไปลึกกว่านั้น จะอธิบายในภายหลัง) เมื่อความร้อนถูกดึงออกมาจากพวกมัน ของเหลวจะถูกทำให้เย็นลงและกลับสู่สนามผ่านหลุมฉีด เพื่อรักษาแรงดัน
โครงการพลังงานความร้อนใต้พิภพทั่วไปเกือบทั้งหมด ซึ่งส่วนใหญ่ดำเนินการอยู่ในขณะนี้ ใช้ประโยชน์จากทรัพยากรความร้อนใต้พิภพคุณภาพสูง
ปัญหาหนึ่งของแหล่งกักเก็บความร้อนใต้พิภพคืออาการที่มองเห็นได้ เช่น น้ำพุร้อนและ fumaroles ยังคงเป็นวิธีเดียวที่เชื่อถือได้ในการระบุแหล่งเหล่านี้ การสำรวจและกำหนดลักษณะของพื้นที่ใหม่นั้นมีราคาแพงและไม่แน่นอน (นี่เป็นหนึ่งในพื้นที่ของการพัฒนาเทคโนโลยีที่โกรธจัด)
ปัญหาอีกประการหนึ่งคือพวกมันกระจุกตัวในเชิงภูมิศาสตร์อย่างมาก ในสหรัฐอเมริกา กระแสไฟฟ้าจากความร้อนใต้พิภพส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในแคลิฟอร์เนีย เนวาดา ฮาวาย และอลาสก้า ซึ่งแผ่นเปลือกโลกกำลังบดอยู่ใต้พื้นผิว
ความร้อนใต้พิภพในตัวเราวันนี้
NREL
ในกรณีที่มีแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพพร้อมใช้ ย่อมเข้าใจข้อดีของพลังงานความร้อนใต้พิภพเป็นอย่างดี กองไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพทั่วโลกมีปัจจัยด้านกำลังการผลิตเฉลี่ย — เวลาที่ใช้ไปเมื่อเทียบกับกำลังการผลิตสูงสุด — ที่ 74.5% และโรงงานที่ใหม่กว่ามักจะเกิน 90 เปอร์เซ็นต์ ความร้อนใต้พิภพสามารถให้พลังงานพื้นฐานตลอดเวลา มันเป็นทรัพยากรหมุนเวียนเพียงอย่างเดียวที่จะทำเช่นนั้น
ณ สิ้นปี 2019 ความจุไฟฟ้าความร้อนใต้พิภพที่ติดตั้งทั่วโลก ซึ่งกระจายอยู่ใน 29 ประเทศแตะระดับ 15.4 GWโดยที่สหรัฐฯ เป็นผู้นำ
ความร้อนใต้พิภพโลก
คิด Geoenergy
ปัญหาสุดท้ายคือ พื้นที่ขนาดใหญ่ สำรวจมาอย่างดี และมีลักษณะเฉพาะส่วนใหญ่ ถูกดึงออกมา อย่างน้อยก็ใช้เทคโนโลยีแบบเดิม ความร้อนใต้พิภพที่อาศัยทรัพยากรความร้อนใต้พิภพคุณภาพสูงยังคงเป็นวิธีแก้ปัญหาเฉพาะกลุ่ม ซึ่งยากต่อการกำหนดมาตรฐานและปรับขนาด นั่นเป็นสาเหตุที่ทำให้ทรัพยากรหมุนเวียนอื่นๆ ล้าหลังมาช้านาน
ที่นำเราไปสู่…
2) ระบบความร้อนใต้พิภพที่ปรับปรุงแล้ว (EGS)
ระบบความร้อนใต้พิภพแบบธรรมดานั้นจำกัดเฉพาะพื้นที่เฉพาะที่ความร้อน น้ำ และความพรุนมารวมกันเพียงเท่านี้ แต่พื้นที่เหล่านั้นมีจำกัด
มีความร้อนสะสมอยู่ในหินธรรมดา แข็ง และไม่มีรูพรุนทั้งหมด จะเกิดอะไรขึ้นหากนักพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพสามารถสร้างอ่างเก็บน้ำของตนเอง ได้? จะเกิดอะไรขึ้นหากพวกเขาสามารถเจาะลงไปในหินแข็ง ฉีดน้ำที่แรงดันสูงผ่านบ่อหนึ่ง หักหินเพื่อให้น้ำไหลผ่าน แล้วรวบรวมน้ำร้อนผ่านอีกบ่อหนึ่ง
โดยสรุปคือ EGS: ความร้อนใต้พิภพที่สร้างอ่างเก็บน้ำของตัวเอง
EGS
DOE
เพื่อความชัดเจน เส้นแบ่งระหว่างทรัพยากรความร้อนใต้พิภพธรรมดากับทรัพยากรที่ต้องใช้ EGS นั้นไม่คมชัด มีการไล่ระดับและการแปรผันมากมายระหว่างเปียก/มีรูพรุนและแห้ง/แข็ง
Tim Latimer ผู้ก่อตั้งและ CEO ของบริษัท EGS Fervo Energyกล่าวว่า “สิ่งที่คุณมีจริงๆ คือ เส้นอุปทาน โดยที่ตัวแปรต่างๆ ได้แก่ อุณหภูมิ ความลึก การซึมผ่านที่ดี และการซึมผ่านของอ่างเก็บน้ำ “ทุกสิ่งระหว่างสุดขั้วทั้งสองมีอยู่จริง”
พูดง่ายๆ ก็คือ เมื่อทรัพยากรลึกลงไปและหินก็ร้อนขึ้น
และมีรูพรุนน้อยลง ความยากทางวิศวกรรมในการเข้าถึงหินก็เพิ่มขึ้น
แนวคิดพื้นฐานคือว่า EGS จะเริ่มต้นภายในแหล่งกักเก็บความร้อนใต้พิภพที่มีอยู่ ซึ่งเขตข้อมูลมีลักษณะค่อนข้างดี จากนั้น เมื่อเรียนรู้ ปรับปรุงเทคโนโลยี และลดค่าใช้จ่าย มันจะแยกสาขาจาก “ในทุ่ง” ไปสู่ทรัพยากร “ใกล้สนาม” ซึ่งเป็นหินแข็งที่อยู่ติดกับอ่างเก็บน้ำที่ระดับความลึกใกล้เคียงกัน ในที่สุดมันก็จะสามารถผจญภัยออกไปในทุ่งใหม่และลึกเข้าไปในหินที่ร้อนกว่า ตามทฤษฎีแล้ว EGS สามารถพบได้เกือบทุกที่ในโลก
นั่นคือแผนเกมมาเป็นเวลากว่าทศวรรษแล้ว และยังคงเป็นแผนเกมดังที่วางไว้ในการศึกษา GeoVision ที่มีอำนาจสูงสุดในปี 2019เกี่ยวกับความร้อนใต้พิภพจากกระทรวงพลังงาน อุตสาหกรรม EGS ประสบปัญหาในการรับเป็ดทั้งหมดเป็นแถว มีการปะทุของกิจกรรมในปี 2010 ตามเงินกระตุ้นของโอบามาและโรงไฟฟ้าไบนารี แต่เมื่อถึงเวลาที่เทคโนโลยีการขุดเจาะจากการปฏิวัติก๊าซจากชั้นหินได้เริ่มเข้าสู่ความร้อนใต้พิภพ ประมาณปี 2558 เมืองหลวงก็แห้งแล้งและความสนใจก็เปลี่ยนไป
Latimer กล่าวว่ามีเพียงในปี 2020 เท่านั้น ในที่สุดทุกอย่างก็เข้าแถวกัน: ความสนใจของสาธารณชนและนักลงทุนที่แข็งแกร่ง ความต้องการของตลาดที่แท้จริง (ต้องขอบคุณเป้าหมายด้านพลังงานหมุนเวียนของรัฐที่ทะเยอทะยาน) และเทคโนโลยีใหม่มากมายที่ยืมมาจากอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ EGS startups เช่น Fervo กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วและใหญ่ขึ้น บริษัทที่จัดตั้งขึ้นกำลังดำเนินโครงการ EGS ที่ทำกำไรได้ในปัจจุบัน เว็บตรง
