MIT에서 분사한 Quaise Energy는 깨끗하고 거의 끝이 없는 에너지를 위해 매우 깊은 지열 에너지를 방출하는 것을 목표로 하는 고유한 드릴 기술을 개발했습니다.
목표는 석탄 대신 지구에서 나오는 증기를 사용하여 전 세계적으로 전통적인 석탄 발전소에 전력을 공급하는 것입니다. 프로젝트의 높은 비용에도 불구하고 회사는 2028년까지 첫 번째 석탄 화력 발전소를 교체할 것으로 예상합니다(1).
직접 에너지 드릴링
우리가 아는 한, 지구 중심부의 온도는 약 5,200 °C 또는 9,392 °F이며, 붕괴하는 방사성 원소와 지구 형성 이후 남아 있는 열과 결합하여 생성됩니다.
MIT의 수석 융합 연구 엔지니어인 Paul Woskov에 따르면(2), 열에 접근할 수 있는 수확 가능한 지열 에너지가 있습니다. 그리고 우리 행성의 표면 아래에는 너무 많은 열이 있습니다.
"그것의 0.1%만 활용해도 20천만 년 동안 전 세계의 에너지 요구량을 공급할 수 있습니다."라고 그는 덧붙였습니다.
지하 열원이 지표면 근처에서 자연적으로 발생하고 전력망이 경제적으로 실행 가능한 전송을 만들기 위해 쉽게 접근할 수 있는 경우 지열은 신뢰할 수 있는 연중무휴 친환경 전원의 드문 예로 간주된다는 점을 강조할 가치가 있습니다.
예를 들어, 우리가 태양을 잃는다 해도 우리는 여전히 뜨거운 핵을 가질 것입니다. 그러나 위에서 언급한 조건을 상당히 드물게 만드는 액세스 문제가 있습니다. 결과적으로 지열은 전 세계 에너지 소비의 약 0.3%만 공급합니다.
우리가 역사를 보아도 지열발전소를 전 세계 어디에나 설치할 만큼 깊이 시추한 적이 없습니다. 그것은 주로 우리 행성의 지각이 약 5-75km 또는 3-47마일의 두께를 가지고 있고 가장 얇은 부분이 깊은 바다로 빠져나가는 경향이 있기 때문입니다.
우리가 지금까지 시추한 것 중 가장 깊은 곳은 1970년에 발발한 노르웨이 국경 근처의 러시아 프로젝트인 Kola Superdeep 시추공입니다.3). 이 프로젝트는 맨틀까지 지각을 뚫는 것을 목표로 했으며 12,289년에 시추공 중 하나가 지표면 아래 40,318미터 또는 1989피트까지 뚫렸습니다. 그러나 팀은 더 깊은 곳으로 가는 것이 가능하지 않다고 판단하고 실행했습니다. 기금에서.
흥미롭게도 Kola 팀원들은 그 깊이에서 온도가 약 100°C일 것으로 예상했습니다. 그러나 실제로 그들은 180°C 또는 356°F에 더 가깝다는 것을 발견했습니다. 암석은 또한 예상보다 밀도가 낮고 다공성이었습니다.
그리고 이러한 요소를 높은 열과 결합하면 악몽 같은 드릴링 조건이 만들어집니다. 오늘날 사이트는 완전히 파손된 상태입니다.
또 다른 예로는 KTB 시추공에 대한 독일 대륙 심층 드릴링 프로그램(4). 80년대 후반에 독일은 9,101억 유로 이상에 해당하는 비용을 지출했지만 29,859미터 또는 XNUMX피트에 불과했습니다.
온도는 예상보다 훨씬 빨리 올랐고, KTB 팀은 이 깊이의 암석이 단단하지 않은 것을 보고 놀랐습니다. 그리고 시추공으로 유입되는 엄청난 양의 유체와 가스는 작업을 더욱 복잡하게 만듭니다.
이 온도는 시추 작업을 방해할 만큼 충분히 뜨거웠지만 지열 에너지로부터 이익을 얻을 만큼 뜨겁지 않았습니다.
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지향성 에너지 빔의 사용
연구원들은 드릴 헤드가 충돌하기 전에 지하 암석을 가열, 용융, 파쇄 및 증발시키는 지향성 에너지 빔의 능력을 조사해 왔습니다. 이 과정을 파쇄(spallation)라고 하며 물리적 드릴 비트가 작동하기에는 너무 어려운 상황에 사용됩니다.
Petra의 "Swifty" 보링 로봇의 아래 GIF에서 저항하는 암석에 대한 파쇄의 영향을 볼 수 있습니다(5). 그러나 Petra는 그 열을 생성하는 데 사용되는 것이 무엇인지 공개하지 않았습니다.
1990년대 후반의 군사 실험은 고무적인 결과를 보여주었는데, 레이저 보조 드릴링이 기존 드릴링보다 10~100배 더 빠르게 암석을 뚫을 수 있으며 석유 및 가스 회사는 더 많은 것을 배우고 싶어한다는 것을 나타냅니다.
미국 DOE의 지열 기술 프로그램에 대한 2014년 MIT 논문에서 Impact Technologies의 사장인 Kenneth Oglesby는 다음과 같이 썼습니다.6): “직접 에너지 드릴링 접근 방식은 몇 가지 상당한 이점을 제공합니다.
- 마모되거나 파손될 수 있는 유정 내 기계 장치 없음
- 온도 제약 없음
- 어떤 암석 경도를 절단하는 동등한 용이성
- 케이싱/시멘팅의 필요성을 대체할 지속적인 유리화 라이너의 가능성"
흥미롭게도 직접 에너지 드릴은 본질적으로 암석을 소작하여 구멍을 뚫을 때 구멍을 녹이고 이전의 초심층에서 문제를 일으켰던 유체, 가스 및 기타 오염 물질을 차단하는 유리질 층으로 유리화합니다. 드릴링 이니셔티브.
그러나 Oglesby는 레이저의 한계에 대해서도 썼습니다. “지금까지 레이저는 암석에 30cm 또는 11.8인치만 침투했습니다. 레이저 드릴링의 개발 부족은 근본적인 물리학 및 기술 문제 때문입니다. 우선 암석 추출 입자 흐름은 필요한 암석 표면에 도달하기도 전에 먼지와 입자 구름에 의해 산란 및 흡수되는 단파장 에너지와 양립할 수 없습니다. 둘째, 레이저 기술은 비효율적이고 비효율적일 뿐만 아니라 비용도 너무 많이 듭니다.”
자이로트론 및 밀리미터파 에너지 빔
해결책은 핵융합의 세계에서 나올 수 있을 것 같습니다. 핵융합 연구원들은 가장 안전하고 깨끗한 유형의 원자력 에너지를 방출하는 태양의 핵에 있는 원자들을 함께 부수는 상황을 재현하기 위해 엄청난 양의 열을 생성해야 합니다.
ITER 프로젝트의 경우 150억 XNUMX만도의 지속 온도를 이야기하고 있습니다(7).
핵융합 연구는 수십억 달러의 국제 정부 자금 지원을 받아 지원을 받지 못했을 분야의 발전과 상업화를 가속화했습니다.
예를 들어 자이로트론은 1960년대 중반 소련에서 개발된 장비입니다. 자이로트론은 파장이 마이크로파보다 짧지만 가시광선이나 적외선보다 긴 밀리미터파 전자기파를 생성합니다.
핵융합로를 위한 토카막 설계를 연구하던 연구원들은 1970년대 초에 밀리미터파가 플라즈마 가열에 이상적임을 인식했습니다.8). Gyrotron 개발은 융합 및 DOE 자금 조달에 대한 인상적인 연구 덕분에 지난 50년 동안 큰 발전을 이루었습니다.
메가와트 이상의 출력으로 연속 에너지 빔을 생성할 수 있는 자이로트론이 이제 사용 가능해지고 있으며, 이는 특히 심해 드릴러에 이상적입니다.
이는 표준 석유 및 가스 시추 프로젝트에 큰 도움이 될 것입니다. 동시에, 그것은 또한 극심한 시추에 대한 방정식을 바꿔서 지구의 엄청난 지열 에너지 잠재력의 일부를 활용하기 위해 지각 깊숙이 들어가는 것이 실용적이고 수익성이 있도록 해야 합니다.
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콰이즈 진입
2018년 MIT의 플라즈마 과학 및 융합 센터는 퀘이즈(Quaise)라는 회사를 분사했습니다.
이 회사는 전통적인 회전 드릴링과 자이로트론 구동 밀리미터파 기술 및 아르곤 펌핑을 결합하여 보어를 청소 및 냉각하는 동시에 암석 입자를 표면과 외부로 발사하는 동안 가스를 퍼지하는 하이브리드 시스템을 갖춘 매우 깊은 지열 드릴링을 전문으로 합니다. 방법.
현재까지 회사는 초기 자본금 63만 달러, 보조금 18만 달러, 올해 초 완료된 시리즈 A 모금 라운드에서 5만 달러를 포함하여 약 40만 달러를 모금했습니다.9).
Quaise는 최대 20km(12.4마일) 깊이의 구멍을 뚫을 예정이며 이는 Kola Superdeep 시추공보다 훨씬 더 깊습니다. 그러나 Kola 팀은 한계에 도달하는 데 20년 이상이 걸렸지만 Quise는 자이로트론 강화 방법이 100일이 소요될 것으로 추정합니다. 그리고 그것은 1MW의 전력을 가진 자이로트론을 가정합니다.
Quaise는 이 깊이에서 약 500°C 또는 932°F의 온도를 예상하며, 이는 지열 에너지가 극도로 효율적이 되는 한계를 상당히 초과합니다.
Quaise는 "22 MPa 이상의 압력과 374 °C 또는 705 °F 이상의 온도에서 물은 초임계 유체가 됩니다."라고 설명했습니다. “초임계가 아닌 시설과 비교할 때 초임계수를 작동 유체로 사용하는 발전소는 한 방울에서 최대 10배 더 많은 가용 에너지를 추출할 수 있습니다. 화석 연료에 필적하는 전력 밀도를 달성하려면 초임계 조건을 찾아야 합니다.”
회사에 따르면 Quaise는 2024년에 작동을 시작할 본격적인 현장 배포 데모 기계를 개발 중입니다. 2026년까지 가동 중인 100메가와트 용량의 최초의 "초고온 강화 지열 시스템"을 갖기를 희망합니다.
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Quise의 상업적으로 천재적인 아이디어
Quaise는 석탄 화력 발전소와 같은 기존 기반 시설을 사용할 계획이며, 이는 오염 규제가 강화됨에 따라 단계적으로 폐지될 예정입니다.
이 발전소는 이미 대규모 증기에서 전기로의 변환 능력을 갖추고 있으며 상업 운영자와 숙련된 인력을 보유하고 있으며 이미 전력망에 미리 연결되어 있습니다.
또 다른 석탄 덩어리나 메탄 퍼프가 필요하지 않은 Quaise는 현재의 화석 연료 열원을 터빈을 영구적으로 가동하기에 충분한 초임계 지열 에너지로 대체할 것입니다.
Quaise는 2028년에 첫 번째 화석 화력 발전소에 전력을 공급한 다음 이 시추 기술을 사용하면 지구 어디에서나 열을 이용할 수 있어야 하므로 이 과정을 전 세계적으로 완벽하게 반복할 계획입니다.
전 세계적으로 8,500~2,000기가와트의 석탄 화력 발전소가 있으며 2050년까지 모두 다른 일을 찾아야 하므로 기회는 분명히 엄청납니다.
회사의 시리즈 A 주요 투자자 중 하나인 Prelude Ventures의 전무이사인 Mark Cupta는 “향후 수십 년 동안 엄청난 양의 무탄소 에너지가 필요할 것입니다.10). “Quaise Energy는 사용 가능한 가장 자원 효율적이고 거의 무한대로 확장 가능한 에너지 시스템 중 하나입니다. 이것은 우리의 현재 재생 에너지 시스템을 이상적으로 보완하여 멀지 않은 미래에 기저부하, 장기 전력을 달성할 수 있게 해줍니다.”
이러한 변화는 청정 에너지 기준선 및 탈탄소화 공정에 중요할 수 있습니다. 지구의 지각이 우리의 침입에 저항할 수 있는 새로운 방법을 개발하지 않는다고 가정하고 이 기술이 예상대로 작동한다고 가정하고 경제를 해결합니다. 이 경우 자이로트론에 대한 이 새로운 응용 프로그램은 핵융합로를 대체할 수 있습니다.
더 중요한 것은 산업 규모의 태양열 및 풍력과 달리 표면에서 본질적으로 최소한의 면적을 차지한다는 것입니다. 또한 모든 국가가 자체적으로 본질적으로 무제한의 에너지원에 접근할 수 있기 때문에 글로벌 지정학적 격변을 일으킬 것입니다.
큰 나라가 에너지 자원에 접근하기 위해 작은 나라의 시민들을 "해방"할 필요가 없다면 좋을 것입니다.
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맺음말
높은 초기 가격과 지진 위험은 지열 에너지의 두 가지 단점(11).
스위스, 한국, 프랑스에서는 기술은 다르지만 유사한 프로젝트에서 지진이 발생하여 중단되었습니다.
그러나 지열 에너지 지지자들은 증기 생산이 태양열과 풍력보다 더 안정적일 것이라고 주장합니다. 일단 설치되면 다른 재생 에너지가 사용하는 토지와 자원의 1% 미만을 소비합니다. 퀘이즈는 지질학자들이 얕은 마그마 덩어리가 지표 아래 6,500~16,500피트에 불과하다고 예측하는 오리건주 뉴베리 화산 근처에서 앞으로 몇 년 안에 드릴로 시추할 계획입니다.12).
이 회사는 이 기술을 8,500년까지 용도를 변경해야 하는 2050개의 석탄 화력 발전소로 확장하고자 합니다. 성공하면 2,000기가와트 이상의 에너지를 사용할 수 있습니다.
이 개발에 대해 어떻게 생각하십니까? 인도도 유사한 계획을 시작해야 합니까? 아래 의견에 알려주십시오!
