Powtarzające się od pół wieku cykliczne kryzysy energetyczne spowodowały poszukiwania rozwiązań skończenia ze związanymi z tym szantażami, których ofiarami są na ogół najbiedniejsze kraje. Pierwszą próbą zrealizowania tego zamiaru była globalna zmiana w kierunku odnawialnych źródeł energii. Pomimo wszystkich swoich zalet nie zdała ona w pełni praktycznego egzaminu, gdyż zależna od warunków pogodowych bywa zmienna zarówno w kierunku jej chwilowego nadmiaru, jak i również podobnych okresów niedoborów.
Aby uniezależnić się od niepewności związanych z tym źródłem, zintensyfikowano prac naukowe, laboratoryjne i wdrożeniowe w poszukiwaniu stałych, niezawodnych i ilościowo nieograniczonych dostaw energii. Najbardziej gospodarczo rozwinięte kraje skupiły się na dwóch kierunkach mających największe szanse zrealizowania tego projektu.
Najstarszym z nich okazała się technika fuzji jądrowej, nad którą naukowo i badawczo rozpoczęto prace jeszcze ponad pół wieku temu. Pierwsze rosyjskie konstrukcje urządzeń generujących nieskończoną ilość energii pochodzącej z syntezy atomów wodoru, nazwano tokamakiem, którego nazwa przyjęła się dla dalszych studiów nad bardziej doskonałymi tego rodzaju urządzeniami również na Zachodzie.
Fuzja jądrowa
Proces ten polega na utrzymani plazmy w temperaturze milionów stopni Celsjusza zawieszonej w przestrzeni w której zachodzą reakcje syntezy atomów wodoru. Utrzymanie tej plazmy w stanie stałym, jak ma to miejsce na Słońcu, nie zostało do końca opanowane. Kilkudziesięciominutowe rekordy są zapowiedzią, że jest to możliwe. Wyścig w tej dziedzinie jest wielowymiarowy.
Z jednej strony wszystkim zależy na sukcesie i wiele państw o politycznie odmiennych systemach, w tej sprawie zgodnie współpracuje wymieniając się doświadczeniami. Jednocześnie kraje te we własnym zakresie próbują jaka najszybciej z tego źródła wdrożyć komercyjną produkcję energii.
Przykładem takiej współpracy jest Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy (ITER) budowany w okolicach Paryża. To ogromny, międzynarodowy obiekt, w którym powstaje największy na świecie tokamak. Jego celem jest wytworzenie 500 MW energii z 50 MW mocy wejściowej, co jest warunkiem jego komercyjnej opłacalności.
Pierwsze eksperymenty zmierzające do potwierdzenia tych parametrów planowane są na rok 2033. Niezależnie od tego szereg krajów prowadzi własne badania, które są również daleko zaawansowane. Należą do nich Stany Zjednoczone, Wielka Brytania i Chiny. Odrębne osiągnięcia na tym kierunku uzyskali Niemcy, którzy skonstruowali służący temu celowi stellarator, działający na innej zasadzie aniżeli klasyczny tokamak.
Rząd federalny wspiera te wysiłki kwotą ponad 2 miliardów euro z funduszy publicznych, aby umożliwić powstanie pierwszych obiektów komercyjnych pod koniec lat 30. i na początku lat 40. XXI wieku. Prace te są daleko zaawansowane, ale na ich komercyjne wykorzystanie trzeba poczekać Jeszcze kilkanaście, a może nawet kilkadziesiąt lat.
Fuzja termojądrowa dla geotermii
Produktem znacznie tańszym i bliższym realizacji technicznej jest wykorzystanie technologii tokamak i stellaratora do wierceń geotermalnych nowej generacji. Polega ona na odejściu od klasycznej geotermii, gdzie poszukiwania skupiały się na znalezieniu obszaru o podwyższonych temperaturach zasilanych naturalnymi dopływami wód podziemnych.
Strefy takie znajdowano szczególnie w obszarach powulkanicznych lub w ich pobliżu, ewentualnie w szczególnie korzystnych warunkach na odpowiedniej głębokości i sprzyjających warunkach geologicznych. Obszarów takich było niewiele na to, aby były on modelem dla globalnego rozwiązania kryzysów energetycznych.
Tym razem dzięki zastosowaniu do wierceń geotermalnych fal milimetrowych utrzymujących plazmę w zawieszeniu w procesie syntezy jądrowej, udało się wykonać szybko, tanio i bez specjalnych problemów otwór wiertniczy nawet w najtwardszych skałach naszej planety.
Fale milimetrowe
Jednym z elementów technologii fuzyjnej jest utrzymanie procesu syntezy energetycznej plazmy zawieszonej w powietrzu, do czego używano fal milimetrowych. W 2008 roku naukowcy z Plasma Science and Fusion Center (PSFC) wynaleźli wiercenie falami milimetrowymi, korzystając ze wsparcia jednego z pierwszych grantów MITEI na innowacje zalążkowe. Technologia ta, która może być szczególnie przydatna w instalacjach geotermalnych w skałach supergorących i głębokich, jest komercjalizowana przez spółkę wydzieloną MIT, Quaise Energy .
Nowa generacja
Cała technologia nowej geotermii oparta jest na urządzeniu wiertniczym żyrotronie, który przy pomocy fal milimetrowych wytwarza temperaturę topnienia najtwardszych skał, tworząc w ten sposób otwór wiertniczy teoretycznie do głębokości 20 kilometrów. Energia żyrotronu wiercącego ten otwór przekazywana jest bezprzewodowo unikając dotychczasowych żerdzi i innych przewodów mechanicznych. Prace wdrożeniowe są już tak zaawansowane, że firma Quais Energy aktualnie realizuje budowę pierwszej elektrowni o mocy 50 MW.
Jeszcze w tym roku ma być odwiercony otwór, który pozwoli na sprawdzenie warunków podpowierzchniowych, które mają osiągnąć temperaturę ponad 300 stopni Celsjusza. Kolejną zaletą tej technologii jest ciągły sposób wytwarzania energii przez całą dobę niezależnie od panującej pogody. Na dodatek instalacja ta na powierzchni zajmuje ok. 100 metrów kwadratowych, niczym nie wyróżniając się od otoczenia.
Klasyczna geotermia zawsze była popularna w Stanach Zjednoczonych. Świadczy o tym największa moc ich elektrowni tego typu na świecie, która obecnie wynosi 3969 megawatów (MWe), czyli prawie 4,0 gigawatów. Stanowi to wzrost o 8% w porównaniu z poziomem z 2020 roku. Departament Energii (DOE) wyznaczył ambitne cele osiągnięcia 5 GW mocy do 2030 roku i do 90 GW do 2050 roku.
Przekroczenie tych celów jest wielce prawdopodobne wobec zastosowania nowych otworów wiertniczych sięgających do głęboko zalegających gorących skał naszej planety. Możliwości te otwierają dostęp do nieograniczonych zasobów energii i to uzyskiwanych niezależnie od miejsca i innych warunków.
Kongres USA o geotermii
Doceniając zalety nowej generacji geotermii w pierwszych dniach czerwca tego roku. Izba Reprezentantów USA zatwierdziła dwupartyjny pakiet ustaw HR 5631 mających na celu przyspieszenie rozwoju energii geotermalnej, ponieważ kraj domaga się całodobowego dostępu do czystej energii elektrycznej.
Efektem poparcia dla głębokiej geotermii jest uzyskanie na pustyni Utah w drugiej połowie czerwca ponad 10 megawatów mocy z jednego odwiertu, wydrążonego w gorącej skale przez firmę Fervo Energy. Podobne efekty planuje uzyskać firma Quaise Enegry w swoim projekcie Obsydian, który do 20230 roku ma wygenerować 250 MW energii elektrycznej o zerowej emisji dwutlenku węgla, dostępnej 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.
Fot. Fervo Energy