Βαθιά κάτω από τα πόδια μας, η Γη είναι καυτή. Πραγματικά καυτή. Μέρος αυτής της θερμότητας έχει απομείνει από τη βίαιη γέννηση του πλανήτη. Περισσότερη δημιουργείται διαρκώς από τη διάσπαση ραδιενεργών ατόμων στα πετρώματα του υπεδάφους. Σε ορισμένα σημεία, αυτή η κρυφή «φωτιά» της Γης κάνει θεαματικά αισθητή την παρουσία της, ξεσπώντας στην επιφάνεια ως ηφαίστεια, θερμοπίδακες και ποτάμια μάγματος.
Είναι εντυπωσιακά φαινόμενα, αλλά και εξαιρετικά χρήσιμα — αν καταφέρουμε να τα αξιοποιήσουμε. Η συμβατική γεωθερμική ενέργεια λειτουργεί καλύτερα εκεί όπου η γεωλογία έχει κάνει ήδη τη δύσκολη δουλειά: σε περιοχές όπου ρήγματα διαρρηγνύουν τον φλοιό και ζεστό νερό ή ατμός ανεβαίνει κοντά στην επιφάνεια. Γι’ αυτό χώρες όπως η Ισλανδία, η Νέα Ζηλανδία, η Κένυα και η Ινδονησία μπορούν να μετατρέπουν τη θερμότητα της Γης σε θέρμανση για τα σπίτια και ηλεκτρική ενέργεια για τα δίκτυά τους, ενώ μεγάλο μέρος του υπόλοιπου κόσμου την έχει μόλις αγγίξει.
Η αξία της είναι προφανής. Σε αντίθεση με την ηλιακή ενέργεια, η γεωθερμία δεν μειώνεται όταν δύει ο ήλιος. Και σε αντίθεση με την αιολική, δεν σταματά όταν δεν φυσά.
Η πρώτη σήραγγα στον κόσμο προς θάλαμο μάγματος θα μπορούσε να απελευθερώσει απεριόριστη ενέργεια
Την τελευταία δεκαετία, οι εξελίξεις στη διάτρηση άρχισαν να απελευθερώνουν τη γεωθερμία από τα γεωλογικά της δεσμά. Ορισμένα σχέδια στοχεύουν να βελτιώσουν τη φύση, δημιουργώντας ρωγμές και διαδρομές εκεί όπου δεν υπήρχαν. Άλλα είναι ακόμη πιο φιλόδοξα: θέλουν να τρυπήσουν τόσο βαθιά ώστε η γεωθερμική ενέργεια να μπορεί να λειτουργεί σχεδόν παντού. «Τελικά, στόχος είναι ολόκληρος ο κόσμος», λέει ο Matt Houde, συνιδρυτής της εταιρείας γεωθερμικής ενέργειας Quaise Energy. Αυτό θα μετέτρεπε τη γεωθερμία από μια εξειδικευμένη πηγή σε κάτι πολύ μεγαλύτερο — έναν τρόπο να αξιοποιούμε την κρυφή θερμότητα του πλανήτη όπου κι αν τη χρειαζόμαστε.
Πώς αξιοποιούμε τη θερμότητα της Γης
Για να μετατραπεί η θερμότητα από το εσωτερικό της Γης σε αξιοποιήσιμη ενέργεια, οι μηχανικοί διοχετεύουν κρύο νερό σε φυσικά υπόγεια ταμιευτήρια μέσα σε θερμά πετρώματα. Εκεί, το νερό θερμαίνεται και επιστρέφει στην επιφάνεια ως ζεστό νερό ή ατμός, που μπορεί να κινήσει τουρμπίνες και να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Έπειτα, το νερό ξαναστέλνεται υπόγεια και ο κύκλος ξεκινά από την αρχή.
Η ιδέα είναι απλή και, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα, οι γεωθερμικές πηγές θερμότητας είναι πρακτικά ανεξάντλητες σε ανθρώπινη κλίμακα χρόνου. «Αν το μετρήσεις με βάση την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη μέσα στον φλοιό της Γης, η γεωθερμική θερμότητα ξεπερνά κατά τάξεις μεγέθους όλους τους υδρογονάνθρακες», λέει ο Houde. Το πρόβλημα είναι ότι η παραδοσιακή γεωθερμία χρειάζεται τρία στοιχεία για να λειτουργήσει: θερμότητα, νερό και πετρώματα που είναι αρκετά διαπερατά ή ρηγματωμένα ώστε να κυκλοφορεί το νερό. «Τα παραδοσιακά γεωθερμικά συστήματα περιορίζονται πολύ σε χώρες και σε περιοχές χωρών όπου υπάρχει αυτός ο μοναδικός συνδυασμός συνθηκών», λέει.
Αυτός είναι και ο λόγος που η γεωθερμία άνθησε σε μέρη όπως η Ισλανδία. Η χώρα βρίσκεται πάνω στη μεσοατλαντική ράχη και διαθέτει αυτά τα βασικά συστατικά σε ασυνήθιστη αφθονία. Η παγκόσμια πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας του 1970 ώθησε την Ισλανδία να αξιοποιήσει αυτό το πλεονέκτημα και σήμερα η γεωθερμία καλύπτει πάνω από το ένα τέταρτο της ηλεκτροπαραγωγής της χώρας. Μπορεί να μη μοιάζει εντυπωσιακό, όμως οι γεωθερμικές μονάδες της Ισλανδίας μπορούν να παράγουν ανεξάρτητα από τον καιρό, αποτελώντας σταθερό στήριγμα για το δίκτυο. «Η γεωθερμία είναι πραγματικά σε πολύ καλή θέση για να γίνει η κόλλα που θα κάνει να λειτουργήσουν τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλών εκπομπών άνθρακα», λέει ο Iain Staffell, ειδικός στη βιώσιμη ενέργεια στο Imperial College London.
Ωστόσο, οι περισσότερες χώρες δεν έχουν την τύχη της Ισλανδίας. Μπορεί να διαθέτουν θερμότητα ή νερό ή ρηγματωμένα πετρώματα, αλλά όχι και τα τρία μαζί σε βάθη που είναι εύκολο να προσεγγιστούν. Οι παραδοσιακοί γεωθερμικοί σταθμοί περιορίζονται στην άντληση θερμότητας από βάθος μικρότερο των 2 χιλιομέτρων. Αν πάμε πολύ βαθύτερα, η μηχανική δυσκολεύει πολύ. Οι τρύπες πρέπει να διαπεράσουν σκληρό, καυτό βράχο. Οι κάθετοι άξονες που συνδέουν την επιφάνεια με τα θερμικά ταμιευτήρια, γνωστοί ως γεωτρήσεις, πρέπει να αντέξουν ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις. Ακόμη κι έτσι, τα πετρώματα μπορεί να παραμένουν πολύ συμπαγή και χωρίς ρωγμές για να κυκλοφορήσει το νερό.
Κι όμως, το διακύβευμα είναι τεράστιο. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας εκτιμά ότι το τεχνικό δυναμικό της γεωθερμίας είναι περίπου 150 φορές μεγαλύτερο από την τρέχουσα παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, με την προϋπόθεση ότι μπορούμε να αξιοποιήσουμε θερμότητα μέχρι περίπου τα 8 χιλιόμετρα βάθος. Η συμβατική γεωθερμία συνήθως αξιοποιεί προϋπάρχοντα κοιτάσματα ζεστού νερού ή ατμού σε διαπερατά, ρηγματωμένα πετρώματα σε βάθος μικρότερο των 2 χιλιομέτρων, αφήνοντας εκτός εμβέλειας το μεγαλύτερο μέρος αυτού του δυναμικού. Το συμπέρασμα είναι σαφές: για να επεκταθεί η αξιοποίηση της πηγής, οι μηχανικοί πρέπει να τρυπήσουν βαθύτερα — και να δημιουργήσουν την υπόγεια «υδραυλική εγκατάσταση» που η φύση δεν προσφέρει.
Η πρώτη από τις νέες γεωθερμικές τεχνικές κάνει ακριβώς αυτό. Τα βελτιωμένα γεωθερμικά συστήματα στοχεύουν σε θερμά αλλά αδιαπέρατα πετρώματα, συνήθως σε βάθος 2 έως 10 χιλιομέτρων. Οι μηχανικοί διοχετεύουν νερό σε υψηλή πίεση για να ανοίξουν ή να διευρύνουν ρωγμές και να δημιουργήσουν διαδρομές κυκλοφορίας του ρευστού. Αυτό είναι το λεγόμενο enhanced geothermal system (EGS), και αποτελεί την πιο ώριμη τεχνολογία στη νέα εποχή της γεωθερμίας.
Όμως αυτή η προσέγγιση έχει και μειονέκτημα. Η πίεση του νερού στα βαθιά πετρώματα δεν δημιουργεί μόνο χρήσιμες ρωγμές. Σύμφωνα με ανασκόπηση της έρευνας το 2023, μπορεί επίσης να διαταράξει παλαιότερα, προϋπάρχοντα ρήγματα που ήδη βρίσκονται υπό τάση. Πολλά ρήγματα παραμένουν ακίνητα λόγω της τριβής, σαν ένα βαρύ βιβλίο που ακουμπά πάνω σε κεκλιμένο τραπέζι. Αν διοχετεύσεις νερό μέσα τους, η πίεση στους πόρους και στις ρωγμές αυξάνεται. Αυτό στηρίζει εν μέρει τις δύο πλευρές του ρήγματος, μειώνοντας τη δύναμη που τις κρατά σφιχτά ενωμένες. Αν το ρήγμα ήταν ήδη έτοιμο να ολισθήσει, αυτό μπορεί να είναι αρκετό για να προκληθεί σεισμός.
Έρευνα που παραγγέλθηκε από τη νοτιοκορεατική κυβέρνηση κατέληξε στο συμπέρασμα ότι κοντινό έργο EGS προκάλεσε σεισμό μεγέθους 5,5 στην πόλη Πόχανγκ το 2017. Περισσότεροι από 80 άνθρωποι τραυματίστηκαν και ο σεισμός προκάλεσε ζημιές που εκτιμώνται σε 300 δισ. νοτιοκορεατικά γουόν, δηλαδή £148 εκατομμύρια, καθιστώντας τον τον πιο καταστροφικό στην ιστορία της χώρας.
Οι επιστήμονες προσπαθούν να καταλάβουν πώς η κλιματική αλλαγή μπορεί να επηρεάζει τους ανέμους που μεταφέρουν τον καιρό μας, με πιθανές καταστροφικές συνέπειες
Ο Bill Ellsworth από το Πανεπιστήμιο Stanford στην Καλιφόρνια συμμετείχε στην ομάδα που βοήθησε να διαπιστωθεί ποιος ήταν ο ρόλος του γεωθερμικού σταθμού σε αυτή την καταστροφή. «Στην Πόχανγκ, άνοιξαν μερικές γεωτρήσεις που απείχαν πολύ μεταξύ τους», λέει. Η ελπίδα ήταν ότι η έγχυση νερού στη μία θα θρυμμάτιζε αρκετά το πέτρωμα ώστε να συνδεθεί με την άλλη, δημιουργώντας μια δίοδο για να περάσει το νερό ανάμεσά τους και να συλλέξει θερμότητα. Όμως η προσπάθεια να επιβληθεί μια τέτοια σύνδεση στο υπέδαφος είναι ριψοκίνδυνη, ιδιαίτερα αν η διάτρηση τέμνει ρήγματα που είναι ήδη έτοιμα να ολισθήσουν.
Γι’ αυτό τα νεότερα έργα προσπαθούν να είναι πιο προσεκτικά, λέει ο Ellsworth. Στην Ισλανδία, για παράδειγμα, οι μηχανικοί προσπαθούν να δημιουργήσουν τα EGS ταμιευτήρια πιο ήπια, χωρίς να τα «σπάνε» απότομα, διοχετεύοντας κρύο νερό αργά και σε σχετικά χαμηλή πίεση. Σε βάθος μηνών, το ψυχόμενο πέτρωμα συστέλλεται και ρηγματώνεται, λέει η Lilja Magnúsdóttir, εκτελεστική αντιπρόεδρος πόρων στην ισλανδική ενεργειακή εταιρεία HS Orka.
Η Ισλανδία έχει επίσης ένα πλεονέκτημα που γεννήθηκε από ανάγκη: είναι μια σεισμικά ανήσυχη περιοχή, οπότε η χώρα έχει ήδη επενδύσει πολύ στην παρακολούθηση. Στην HS Orka, αυτό περιλαμβάνει πλέον τη χρήση των ίδιων των γεωθερμικών γεωτρήσεων ως αισθητήρων έγκαιρης προειδοποίησης. Όταν το μάγμα αρχίζει να κινείται, συμπιέζει το γύρω πέτρωμα, δημιουργώντας ένα χαρακτηριστικό σήμα στη γεώτρηση. «Είναι πραγματικά έξυπνος σχεδιασμός», λέει η Magnúsdóttir.
Όμως ακόμη και εκεί όπου τα έργα EGS έχουν μάθει να διαχειρίζονται τον σεισμικό κίνδυνο, το σκληρό πέτρωμα παραμένει αναξιόπιστη βάση για ένα σύστημα σωληνώσεων. Το ρευστό μπορεί, για παράδειγμα, να διαρρεύσει και να μολύνει τα υπόγεια ύδατα. Και οι ίδιες ρωγμές που κάνουν το σύστημα χρήσιμο μπορούν επίσης να το κάνουν επικίνδυνο.
Μια λύση είναι να σταματήσουμε να ζητάμε από το πέτρωμα να μεταφέρει το νερό. Εκεί όπου δεν υπάρχουν φυσικές ρωγμές και ταμιευτήρες, μια εναλλακτική λύση στο EGS είναι να διανοιχθεί ένας κλειστός βρόχος μέσα από τα θερμά πετρώματα. Οι μηχανικοί ανοίγουν κατακόρυφα και έπειτα οριζόντια, μέχρι οι γεωτρήσεις να συναντηθούν υπόγεια, και στη συνέχεια τις επενδύουν και τις σφραγίζουν με ατσάλι και τσιμέντο. Έτσι δημιουργείται κάτι σαν θαμμένο καλοριφέρ, όπου το ρευστό κυκλοφορεί, αλλά δεν έρχεται ποτέ σε άμεση επαφή με το ίδιο το πέτρωμα.
Αυτό το κλειστό σύστημα λέγεται advanced geothermal system (AGS) και έχει δοκιμαστεί με επιτυχία στη Γερμανία, όπου η καναδική εταιρεία Eavor ανέπτυξε γεωθερμικό σταθμό στο Geretsried, η κατασκευή του οποίου ξεκίνησε το 2022 και παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια πέρυσι.
Επειδή τα κλειστά συστήματα δεν ανοίγουν βίαια ρωγμές στο πέτρωμα, θα πρέπει να μειώνουν τον κίνδυνο προκαλούμενων σεισμών. Και επειδή δεν εξαρτώνται από τη συνεχή έγχυση και άντληση νερού μέσα και έξω από τις ρωγμές, θα πρέπει να μειώνουν τον κίνδυνο ακόμη περισσότερο.
Υπάρχει και ένα ακόμη πιθανό πλεονέκτημα. Αν το ρευστό εργασίας παραμένει μέσα σε σφραγισμένο σωλήνα, δεν χρειάζεται να είναι νερό. Οι εταιρείες μπορούν, θεωρητικά, να χρησιμοποιούν υγρά που απορροφούν και αποδίδουν θερμότητα πιο αποτελεσματικά. Το ρευστό εργασίας της Eavor παραμένει εμπορικό μυστικό. Η εταιρεία China Huaneng Group, από την άλλη, έχει κατασκευάσει το πρώτο γεωθερμικό πιλοτικό εργοστάσιο που χρησιμοποιεί υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα — CO2 που συμπιέζεται και θερμαίνεται μέχρι να γίνει ούτε αέριο ούτε υγρό. Σε αυτή την κατάσταση είναι πυκνό, ρέει εύκολα και μεταφέρει πολύ αποτελεσματικά τη θερμότητα. Η πιλοτική εγκατάσταση της εταιρείας άρχισε να λειτουργεί τον Μάιο φέτος στο Zhengzhou της Κίνας.
Όμως και αυτά τα συστήματα έχουν τις δικές τους δυσκολίες. Η Eavor χρειάστηκε να περιορίσει τον αριθμό των γεωτρήσεων που σχεδίαζε να ανοίξει, επειδή συντρίμμια από το πέτρωμα έφραξαν τμήματα του δικτύου σωληνώσεων. Ο σταθμός λειτουργεί, αλλά όχι ακόμη με την αποδοτικότητα που είχε προβλεφθεί. Αυτό θέτει ένα ευρύτερο ερώτημα: μπορούν τα κλειστά συστήματα να κυκλοφορούν αρκετό ρευστό και να αντλούν θερμότητα αρκετά γρήγορα ώστε να είναι εμπορικά χρήσιμα; «Ο φάκελος παραμένει ανοιχτός», λέει ο Ellsworth. «Ο χρόνος θα δείξει αν αυτές οι ιδέες ενός μόνο κλειστού βρόχου θα πετύχουν πραγματικά».
Και ενώ τα AGS μπορεί να είναι ασφαλέστερα και καθαρότερα από το να προκαλούνται ρωγμές σε μεγάλο βάθος, εξακολουθούν να περιορίζονται σε περιοχές όπου υπάρχει θερμό πέτρωμα σε εμβέλεια, συνήθως λίγα χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια. Για να γίνει η γεωθερμία πραγματικά παγκόσμια, οι εταιρείες θα χρειαστεί να τρυπήσουν πολύ, πολύ βαθύτερα.
Υπερκρίσιμη γεωθερμία
Όσο πιο βαθιά πας, τόσο πιο θερμή γίνεται η Γη. Αν φτάσεις αρκετά βαθιά, το νερό περνά ένα παράξενο όριο. Σε περίπου 374°C (705°F), υπό επαρκή πίεση, μετατρέπεται σε υπερκρίσιμο ρευστό — παρόμοιο με το CO2 στην επίδειξη της China Huaneng Group — και μπορεί να μεταφέρει πολύ περισσότερη θερμότητα από το συνηθισμένο ζεστό νερό ή τον ατμό.
«Υπάρχουν μερικές χώρες όπου η γεωθερμία προσφέρει ένα σημαντικό μέρος του ενεργειακού μείγματος. Αλλά αυστηρά μιλώντας, η ίδια η θερμότητα, που είναι στην ουσία αυτό που είναι η γεωθερμική ενέργεια, υπάρχει πραγματικά παντού αν πας αρκετά βαθιά», λέει ο Houde.
Οι υπερκρίσιμες θερμοκρασίες συναντώνται συνήθως σε βάθη τουλάχιστον 5 έως 20 χιλιομέτρων, και συχνά βαθύτερα. Τα πετρώματα γίνονται σκληρότερα όσο κατεβαίνεις: βασάλτης ή γρανίτης, αντί για τα πιο μαλακά ιζηματογενή στρώματα που συναντώνται συχνά κοντά στην επιφάνεια. Αυτό το πέτρωμα καταστρέφει ακόμη και τα πιο ανθεκτικά τρυπάνια από καρβίδιο του βολφραμίου ή διαμάντι. Και πέρα από τη φθορά, υπάρχει και ο χρόνος που χάνεται όχι στο τρύπημα, αλλά στην αντικατάσταση φθαρμένων τρυπανιών ή εξοπλισμού που αρχίζει να αποτυγχάνει σε υψηλότερες θερμοκρασίες και μεγαλύτερα βάθη. Όλες αυτές οι καθυστερήσεις ανεβάζουν γρήγορα το κόστος, λέει ο Houde.
Η Quaise, που εδρεύει στο Χιούστον του Τέξας, θέλει να παρακάμψει αυτό το εμπόδιο τρυπώντας με διαφορετικό τρόπο — χωρίς να χρησιμοποιεί καθόλου τρυπάνι στην κεφαλή. Το σχέδιό της είναι να χρησιμοποιεί συμβατική διάτρηση στο ανώτερο τμήμα της γεώτρησης και έπειτα να περνά σε ενέργεια μικροκυμάτων υψηλής ισχύος όταν το πέτρωμα γίνει υπερβολικά σκληρό. Η οπή θα επενδυόταν με κυματοειδή ατσάλινα τοιχώματα, ώστε τα μικροκύματα να κατευθύνονται προς τα κάτω. Όταν αυτή η ενέργεια χτυπούσε το πέτρωμα, θα το θέρμαινε μέχρι να ραγίσει, να διασπαστεί ή ακόμη και να εξατμιστεί. «Δεν υπάρχει μηχανικό τρυπάνι που καταστρέφει το πέτρωμα εδώ, υπάρχει μόνο η αλληλεπίδραση της ενέργειας με το πέτρωμα», λέει ο Houde.
Το πέτρωμα θα μετατρεπόταν σε λεπτή τέφρα, η οποία θα απομακρυνόταν από τη γεώτρηση με αέριο πλούσιο σε άζωτο και θα συλλεγόταν στην επιφάνεια. Η Quaise δεν είναι η μόνη που επιδιώκει διάτρηση χωρίς επαφή: η σλοβακική GA Drilling δοκιμάζει επίσης συστήματα με λέιζερ και πλάσμα και πραγματοποίησε τις πρώτες της δοκιμές πεδίου το 2023.
Μόλις ανοίξει η οπή, η Quaise θέλει να δημιουργήσει ένα βαθύ ταμιευτήρα τύπου EGS. Το νερό θα διοχετεύεται μέσα από ρωγμές στο υπέρθερμο πέτρωμα, απορροφώντας θερμότητα πριν επιστρέψει στην επιφάνεια.
