Et si nous pouvions moderniser pratiquement toutes les centrales électriques au charbon et au gaz du monde pour utiliser une source d’énergie sans carbone située sous nos pieds – l’énergie géothermique.
Quaise Energy, un 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] n’ont pas fait l’objet d’une grande publicité dans la communauté scientifique en général, mais ceux d’entre nous qui travaillent dans le domaine de la recherche sur la fusion ont compris qu’il s’agissait de sources de faisceaux très puissants – comme les lasers, mais dans une gamme de fréquences différente”, explique Woskov. “J’ai pensé, pourquoi ne pas diriger ces faisceaux très puissants, plutôt que dans la fusion 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] est particulièrement intéressée, car elle veut relever les défis posés par l’enlèvement des matériaux sur ces plus grandes longueurs – en d’autres termes, pouvons-nous montrer que nous évacuons complètement les vapeurs de la roche ? explique M. Houde. “Nous pensons que le test 100 pour 1 nous donne également la confiance nécessaire pour aller mobiliser un prototype de foreuse gyrotron sur le terrain pour les premières démonstrations sur le terrain.”
Les tests sur le trou de 100 pour 1 devraient être terminés dans le courant de l’année prochaine. Quaise espère également commencer à vaporiser la roche lors des tests sur le terrain à la fin de l’année prochaine. Ce court délai reflète les progrès que Woskov a déjà réalisés dans son laboratoire.
Bien que des recherches techniques supplémentaires soient nécessaires, l’équipe espère pouvoir forer et exploiter ces puits géothermiques en toute sécurité. “Nous pensons, grâce au travail de Paul au MIT au cours de la dernière décennie, que la plupart, sinon la totalité, des questions de physique de base ont trouvé une réponse et ont été traitées”, déclare M. Houde. “Ce sont vraiment des défis d’ingénierie auxquels nous devons répondre, ce qui ne veut pas dire qu’ils sont faciles à résoudre, mais nous ne travaillons pas contre les lois de la physique, auxquelles il n’y a pas de réponse. Il s’agit plutôt de surmonter certaines des considérations plus techniques et financières pour que cela fonctionne à grande échelle.”
La société prévoit de commencer à récolter de l’énergie à partir de puits géothermiques pilotes qui atteignent des températures de roche allant jusqu’à 500 °C (932 °F) d’ici 2026. À partir de là, l’équipe espère commencer à réaffecter les usines de charbon et de gaz naturel en utilisant son système.
“Nous pensons que si nous parvenons à forer jusqu’à 20 kilomètres de profondeur, nous pourrons accéder à ces températures super chaudes dans plus de 90 % des endroits du globe”, déclare M. Houde.
Le travail de Quaise avec le DOE aborde ce qu’il considère comme les plus grandes questions restantes sur le forage de trous d’une profondeur et d’une pression sans précédent, comme l’enlèvement des matériaux et la détermination du meilleur tubage pour maintenir le trou stable et ouvert. Pour ce dernier problème de stabilité du puits, Houde pense qu’une modélisation informatique supplémentaire est nécessaire et prévoit de terminer cette modélisation d’ici la fin de 2024.
En forant les trous dans des centrales électriques existantes, Quaise sera en mesure d’agir plus rapidement que si elle devait obtenir des permis pour construire de nouvelles centrales et lignes de transmission. Et en rendant son équipement de forage à ondes millimétriques compatible avec la flotte mondiale existante d’appareils de forage, l’entreprise pourra également faire appel à la main-d’œuvre mondiale de l’industrie pétrolière et gazière.
“A ces températures élevées [we’re accessing]nous produisons de la vapeur à une température très proche, voire supérieure, à celle à laquelle fonctionnent aujourd’hui les centrales électriques au charbon et au gaz”, explique M. Houde. Nous pouvons donc nous adresser aux centrales existantes et leur dire : “Nous pouvons remplacer 95 à 100 % de votre consommation de charbon en développant un champ géothermique et en produisant de la vapeur à partir de la Terre, à la même température que celle à laquelle vous brûlez du charbon pour faire fonctionner votre turbine, ce qui remplace directement les émissions de carbone”.
Les fondateurs considèrent que la transformation des systèmes énergétiques mondiaux dans un délai aussi court est essentielle pour éviter le réchauffement climatique le plus catastrophique.scénarios.
” Il y a eu des gains énormes dans le domaine des énergies renouvelables au cours de la dernière décennie, mais le tableau général aujourd’hui est que nous sommes loin d’aller assez vite pour atteindre les jalons dont nous avons besoin pour limiter les pires impacts du changement climatique “, dit Houde. “[Deep geothermal] est une ressource énergétique qui peut être mise à l’échelle n’importe où et qui a la capacité d’exploiter une importante main-d’œuvre dans l’industrie de l’énergie pour reconditionner facilement ses compétences pour une source d’énergie totalement décarbonée. “
