Superhot Rock Energy

No, non è un post sui Led Zeppelin o i Deep Purple…

Alla fine del 2024 ho pubblicato un lungo e dettagliato post sulla Quaise Energy, azienda statunitense che sta portando avanti ricerca e test sul campo, per una tecnologia che sfrutti il calore pressoché inesauribile, alla scala umana, del nostro pianeta; se quanto questa azienda promette, fondato su solide basi scientifiche e tecniche,  potrà essere realizzato, si inizierà concretamente a parlare di indipendenza energetica a disposizione di qualsiasi paese al mondo. Non si tratta di geotermia tradizionale, disponibile in poche aree del pianeta, geologicamente caratteristiche e piuttosto rare, ma di sfruttamento del calore che è sotto i piedi di ognuno di noi, prima di quanto si pensi: iniziare quindi davvero ad operare contromisure adatte a contrastare gli effetti negativi del cambiamento climatico.

Recentemente, la Quaise ha donato 750.000 dollari alla Oregon State University, per potenziare la ricerca di base in atto, volta essenzialmente a ricreare in laboratorio le condizioni presenti a chilometri di profondità, tipiche delle cosiddetta roccia super-calda. La fonte energetica cosiddetta Superhot Rock Energy (SHR) è appunto una forma avanzata di energia geotermica che mira a sfruttare il calore delle rocce a temperature superiori a circa 400 °C (374 °C, come vedremo) per produrre energia rinnovabile 24 ore su 24, tutti i giorni. Perforando in profondità la crosta terrestre, in tempi estremamente ridotti grazie alla tecnologia Quaise, sarà possibile iniettare acqua che verrà scaldata a temperature tali da generare vapore ad alta energia: una fonte pulita e onnipresente, potenzialmente in grado di rivoluzionare il settore energetico. È in questa seconda parte che interviene Quaise, con la loro tecnologia basata su girotrone e onde millimetriche, come ampiamente raccontato nel già citato post del 2024. Una fonte tale che, se sfruttata, potrebbe fornire energia al mondo intero. Approfondire la conoscenza di questa risorsa geotermica, non facile da studiare sul campo, è l’obiettivo in corso.

Perché ci interessa? Perché la geotermia SHR sfrutta il calore della roccia a temperature superiori a 400 °C per generare da cinque a dieci volte più energia per pozzo rispetto agli attuali sistemi geotermici convenzionali. Se sviluppata con successo, la SHR potrebbe fornire oltre 60 TW di energia elettrica costante e priva di emissioni di carbonio, sfruttando solo l'1% delle risorse SHR mondiali, ovvero più di otto volte l'attuale produzione globale di elettricità.

Oltre al suo vasto potenziale, l'SHR offre un altro vantaggio cruciale: la flessibilità di localizzazione. Mentre la geotermia tradizionale si basa su rari sistemi di acqua calda in superficie, l'SHR può essere sviluppata anche in regioni lontane dall'attività vulcanica, consentendo a tutti i paesi di accedere potenzialmente a energia pulita affidabile e sempre disponibile.

Poiché le tendenze globali in materia di elettrificazione, crescita dei data center e decarbonizzazione industriale aumentano rapidamente nel tempo la domanda di energia elettrica, la necessità di energia pulita come quella derivante dall’SHR è fondamentale.

Per maggiore chiarezza ricordo che la potenza installata mondiale di energia elettrica (ovvero la capacità totale) è stimata intorno agli 8 TW alla fine del 2024, includendo tutte le fonti (rinnovabili, fossili e nucleare). Valore che deriva dalla somma di capacità rinnovabili (da 3,4 a 5 TW), fossili (oltre 4.5 TW) e altre fonti, con dati aggiornati al 2024-2025.

Potenza installata di energia elettrica - Dati per fonte (2024)

Recentemente le rinnovabili hanno raggiunto circa 3,4 TW nel 2024, con proiezioni a 5 TW entro fine 2025 e 11,2 TW nel 2035. La crescita è trainata da solare (+33% nel 2024) ed eolico, mentre il totale mondiale cresce di ~300-500 GW/anno. Dati precisi variano per agenzie (IEA, IRENA, Ember), ma il totale è coerente intorno agli 8 TW.

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La buona notizia è che la produzione elettrica da fonti rinnovabili ha superato i 4,4 TW con una crescita annuale, +15%, da record: le fonti elettriche rinnovabili sono economicamente sostenibili e facilmente implementabili. E la transizione e l’indipendenza energetiche sono raggiungibili, persino in Italia.

Per tornare in tema, se a tutto ciò si potrà associare la geotermia SHR i risultati saranno ancor più straordinari.

Proprio per raggiungere la profondità necessaria, in tempi brevi e con risorse economiche contenute rispetto alle perforazioni tradizionali, ovvero raggiungere quelle temperature, è proprio ciò che promette di poter fare la tecnologia della Quaise. 

Sul sito del Clean Air Task Force è disponibile una mappa estremamente dettagliata delle potenzialità mondiali della geotermia SHR.

La maggior potenzialità energetica dell’acqua riscaldata a quelle temperature è data dal raggiungimento di uno stato che la maggior parte delle persone non conosce: l'acqua pompata attraverso piccole fessure permeabili in tali rocce diventerebbe supercritica, (per approfondire) una fase in cui lo stato liquido e quello gassoso non esistono più separatamente. I fluidi supercritici si generano in condizioni estreme, a temperature e pressioni elevate, al di sopra del punto critico della sostanza di cui sono composti. Il punto critico, in sintesi, è una particolare situazione di pressione e temperatura oltre le quali una sostanza si presenta come un'unica fase – una sorta di mix fra liquido e gas con proprietà intermedie fra i due. Ogni sostanza chimica ha un proprio un solo punto critico: nel caso dell'acqua questo si trova appunto a 374 ºC e 218 atmosfere (circa 225 kg/cm²), ovvero 200 volte la pressione esistente sulla superficie terrestre.

L'acqua supercritica può trasportare fino a cinque volte più energia dell'acqua calda normale, il che la renderebbe una fonte di energia estremamente efficiente se potesse essere pompata in superficie fino a turbine che la convertano in energia elettrica.

Le ricerche in corso alla Oregon State University riguardano, tra le molte cose, anche quella di sviluppare un reattore a flusso continuo che consenta di far passare dei fluidi attraverso tipi di roccia in condizioni di altissima temperatura e pressione, cioè quanto si incontrerebbe scendendo in profondità nella crosta terrestre, consentendoci al contempo di osservare come i sistemi cambiano in tempo reale. Un reattore, realizzato su misura, progettato per resistere a temperature fino a 500 °C e 500 atmosfere di pressione. Questa ricerca è fondamentale perché la geotermia SHR opera in un regime in cui i modelli esistenti falliscono e solo esperimenti di flusso controllato possono generare dati affidabili sul comportamento dei fluidi, sulla scalabilità e sulle interazioni roccia-fluido, necessari per progettare pozzi e serbatoi durevoli (per i dettagli rimando sempre al solito post precedente). Quaise sostiene questa ricerca perché l'accesso tempestivo a questi dati ridurrà significativamente il rischio tecnico e finanziario legato allo sviluppo dei loro progetti di geotermia SHR.

L’origine dell’energia geotermica SHR si trova normalmente tra i 3 e i 20 chilometri (si veda la mappa citata in precedenza) sotto la superficie terrestre delle aree continentali, a seconda delle caratteristiche strutturali e tettoniche della litosfera. Raggiungerla è normalmente al di là della portata, economicamente utile, delle tecnologie di perforazione tradizionali a disposizione dell’industria petrolifera o del gas. La profondità media di un pozzo petrolifero varia solitamente tra 2 e 5 km sotto la superficie terrestre o marina, sebbene in contesti complessi si possa arrivare a oltre 6-7 km. La maggior parte delle trivellazioni commerciali sfrutta giacimenti in questo intervallo, anche se le tecnologie sono in continua evoluzione per raggiungere profondità maggiori.

Proprio per questo la Quaise sta lavorando per accedere alla risorsa SHR con una tecnologia rivoluzionaria, la prima innovazione nel campo delle trivellazioni in 100 anni. Dopo aver svolto con successo test sul campo, che hanno dimostrato soprattutto la straordinaria velocità di questo tipo di perforazione, uno degli obiettivi per il 2026 è quello di raggiungere e superare 8 km di profondità.

Ricerca di frontiera
Le ricerche di laboratorio sono molteplici: una riguarda il comportamento della roccia, pressoché disomogenea ovunque, in condizioni di altissima temperatura e pressione, soprattutto in relazione ai fluidi caldi che la attraversano. Ad esempio quarzo, silice o altri minerali potrebbero crescere nello spazio attraversato dal fluido, fino ad impedirne i flusso necessario a mantenere l'energia in superficie. In un secondo filone di ricerca, il laboratorio mira a esplorare un importante sottoprodotto della tecnica di perforazione Quaise: il rivestimento vetrificato che si forma attorno ai lati del foro, rivestimento che potrebbe impedire il collasso del foro, tra gli altri vantaggi. Infine, si approfondisce la conoscenza di come altri materiali fondamentali per la produzione di energia geotermica reagiscono in condizioni di SHR.

Al momento, l'SHR è ricerca di frontiera.

Conclusioni
In definitiva, il modo giusto per pensare alla geotermia è riferirsi alla possibilità di generare acqua allo stato supercritico sfruttando il calore che, ovunque, viene dall’interno della superficie terrestre, quei circa 400 °C citati in precedenza. Se si intende utilizzare l'acqua per estrarre calore dal sottosuolo, quella è la temperatura ideale: qualsiasi temperatura al di sopra generebbe rendimenti decrescenti, qualsiasi temperatura al di sotto ne impedirebbe i vantaggi.

Come predetto la profondità dipende da dove ci si trova sul pianeta: in alcuni punti è a profondità paragonabili a quelle dell’industria petrolifera, circa 5 km, altrove è quattro volte più profonda. Ma il punto è che, tra i 5 e i 20 chilometri di profondità è dappertutto. Va fatto notare che comunque, tecnologicamente parlando, il vero divario tra le profondità tipiche dell’industria petrolifera e la tecnologia Quaise non è la distanza raggiungibile, ma la temperatura a cui si opera. Ci sono pozzi petroliferi che lavorano anche a 8-10 km di profondità, ma non a quelle temperature: le differenze fondamentali si iniziano a delineare in base alla temperatura a cui si può perforare. Il motivo per cui petrolio e gas vengono estratti mediamente tra i 2 e i 5 km di profondità dipende proprio da questo: scendere oltre significa trovare ambienti troppo caldi. Qui inizia la frontiera geotermica ed il blocco del petrolifero. Quindi, la fine di uno è l'inizio dell'altro.

Raggiungere i 400 °C di temperatura è energeticamente vantaggioso, una potenza 10 volte superiore a quella ottenibile con acqua a temperatura di ebollizione, e non a caso è in Islanda che si iniziò a parlare dello stato supercritico dell’acqua: fondamentalmente densità più elevate e viscosità più basse che aumenta l'efficienza di conversione termodinamica tra calore e quanto necessario a produrre elettricità.

Lo stesso pozzo, con un diametro standard di 20 cm, trasferirà da uno a dieci MW di energia elettrica equivalente se utilizza acqua a 90-100 °C, e dieci volte tanto se l’acqua è a 400 °C: quattro volte la temperatura ma dieci volte la potenza.

Le sfide tecniche sono notevoli, ma lo stato di avanzamento della ricerca e delle prove sul campo promette bene.

Un altro differenziale importante è la velocità con cui si raggiunge la profondità necessaria, fa parte dell’economica complessiva derivante dal rapporto tra costi degli impianti e benefici della produzione energetica.

Quando si pensa alle perforazioni meccaniche tradizionali si nota subito che la maggioranza del tempo è impiegata non a perforare, ma a sostituire la punta e a far entrare e uscire il tubo dal foro. Quaise dimostra che la loro tecnologia non è straordinaria tanto per velocità di perforazione incredibili, quanto perché ha tempi improduttivi molto bassi, e indipendenti da temperatura e profondità. Scendere comunque con velocità che vanno da 3 a 5 metri l’ora, significa raggiungere 10 km di profondità in 100 giorni!

A titolo comparativo in Cina è stata realizzata recentemente una perforazione da 11 chilometri: per i primi 10 hanno impiegato un anno, per l’ultimo chilometro, un altro anno.

Il fattore di perforazione, basato soprattutto su tempi improduttivi pressoché ridotti a zero, è il differenziale importante per Quaise.

È proprio il caso di dirlo. Occorre andare…più a fondo!