Questa startup geotermica ha dimostrato che i suoi pozzi possono essere utilizzati come una gigantesca batteria sotterranea

Se i risultati ottenuti sul campo da Fervo Energy funzioneranno su scala commerciale, potrebbe diventare più economico e facile rendere più ecologica la rete.

Alla fine di gennaio, una startup che si occupa di energia geotermica ha iniziato a condurre un esperimento nelle profondità del deserto del Nevada settentrionale. Ha pompato acqua a migliaia di metri di profondità e poi l’ha tenuta lì, osservando cosa sarebbe successo.

Le centrali geotermiche funzionano facendo circolare l’acqua attraverso la roccia calda in profondità. Nella maggior parte degli impianti moderni, l’acqua riemerge alla testa del pozzo, dove è abbastanza calda da convertire i refrigeranti o altri fluidi in vapore che fa girare una turbina, generando elettricità.

Ma Fervo Energy, con sede a Houston, sta sperimentando una nuova versione dell’approccio standard e quel giorno i suoi ingegneri e dirigenti erano semplicemente interessati a generare dati.

Le letture dei manometri posizionati nei due pozzi gemelli dell’azienda hanno mostrato che la pressione ha iniziato a crescere rapidamente, poiché l’acqua che non aveva altro posto dove andare ha effettivamente flesso la roccia stessa. Quando finalmente hanno rilasciato la valvola, l’acqua è aumentata e ha continuato a pompare a livelli più alti del normale per ore.

I risultati degli esperimenti iniziali – che MIT Technology Review riporta in esclusiva – suggeriscono che Fervo può creare centrali geotermiche flessibili, in grado di aumentare o diminuire la produzione di elettricità a seconda delle necessità. Cosa ancora più importante, il sistema può immagazzinare energia per ore o addirittura giorni e restituirla in periodi analoghi, agendo di fatto come una batteria gigante e di lunghissima durata. Ciò significa che gli impianti potrebbero interrompere la produzione quando i parchi solari ed eolici sono attivi e fornire un ricco flusso di elettricità pulita quando queste fonti si esauriscono.

Rimangono ancora dubbi su quanto questo possa funzionare bene, in modo economico e sicuro su scala più ampia. Ma se Fervo riuscirà a costruire impianti commerciali con questa funzionalità aggiuntiva, colmerà una lacuna critica nelle reti odierne, rendendo più economico e facile eliminare le emissioni di gas serra dai sistemi elettrici.

“Sappiamo che la sola generazione e vendita di energia geotermica tradizionale è incredibilmente preziosa per la rete”, afferma Tim Latimer, amministratore delegato e cofondatore di Fervo. “Ma con il passare del tempo, la nostra capacità di essere reattivi, di aumentare e diminuire la potenza e di accumulare energia, aumenterà ancora di più il nostro valore”.

Autostrada geotermica

All’inizio di febbraio, Latimer ha accompagnato me e un collega di Fervo dall’aeroporto di Reno alla sede dell’azienda.

“Benvenuti sulla Geothermal Highway”, ha detto da dietro il volante di un pickup aziendale, mentre passavamo davanti al primo dei numerosi impianti geotermici lungo la Interstate 80.

L’autostrada taglia un deserto piatto nel mezzo del Nevada Basin and Range, la serie di valli e catene montuose parallele formate dalla separazione delle placche tettoniche.

La crosta si è allungata, assottigliata e si è spezzata in blocchi che si sono inclinati, formando montagne in alto e riempiendo e appiattendo i bacini con sedimenti e acqua, come ha descritto memorabilmente John McPhee nel suo libro del 1981, Basin and Range. Dal punto di vista geotermico, ciò che conta è che tutto questo allungamento e inclinazione ha portato le rocce calde relativamente vicino alla superficie.

L’energia geotermica è molto apprezzata: offre una fonte praticamente illimitata e sempre disponibile di calore ed elettricità senza emissioni. Se gli Stati Uniti riuscissero a catturare solo il 2% dell’energia termica disponibile da due a sei miglia sotto la loro superficie, potrebbero produrre più di 2.000 volte il consumo energetico annuale totale della nazione.

Ma a causa dei vincoli geologici, degli alti costi di capitale e di altre sfide, lo usiamo a malapena: oggi rappresenta lo 0,4% della produzione di elettricità negli Stati Uniti.

Finora, gli sviluppatori di centrali geotermiche sono stati in grado di sfruttare solo i siti più promettenti ed economici, come questo tratto del Nevada. Hanno dovuto essere in grado di perforare la roccia calda, porosa e permeabile, a profondità relativamente basse. La permeabilità della roccia è essenziale per consentire all’acqua di muoversi tra due pozzi perforati dall’uomo in un sistema di questo tipo, ma è anche la caratteristica che spesso manca in aree altrimenti favorevoli.

A partire dai primi anni ’70, i ricercatori del Los Alamos National Laboratory hanno iniziato a dimostrare che era possibile aggirare questa limitazione. Hanno scoperto che, utilizzando tecniche di fratturazione idraulica simili a quelle oggi impiegate nell’industria del petrolio e del gas, potevano creare o allargare fessure all’interno di rocce relativamente solide e molto calde. Poi potevano aggiungere acqua, costruendo in sostanza dei radiatori nel sottosuolo.

Un sistema geotermico così “potenziato” funziona fondamentalmente come tutti gli altri, ma apre la possibilità di costruire centrali elettriche in luoghi in cui la roccia non è già abbastanza permeabile da permettere all’acqua calda di circolare facilmente. I ricercatori del settore sostengono da decenni che, se riusciremo a ridurre i costi di queste tecniche, si apriranno nuove aree del pianeta per lo sviluppo geotermico.

Un noto studio del MIT del 2006 ha stimato che con un investimento di 1 miliardo di dollari in 15 anni, gli impianti geotermici potenziati potrebbero produrre 100 gigawatt di nuova capacità sulla rete entro il 2050, mettendoli alla stregua delle fonti rinnovabili più diffuse. (A titolo di confronto, negli Stati Uniti sono stati installati circa 135 gigawatt di capacità solare e 140 gigawatt di eolico).

“Se riusciamo a capire come estrarre il calore dalla terra in luoghi in cui non esiste già un sistema geotermico naturale in circolazione, allora abbiamo accesso a una risorsa davvero enorme”, afferma Susan Petty, collaboratrice del rapporto e fondatrice di AltaRock Energy, con sede a Seattle, una delle prime start-up che si occupano di geotermia avanzata.

Gli Stati Uniti non hanno effettuato l’intero investimento nel periodo di tempo richiesto dal rapporto. Ma negli ultimi anni hanno fatto della geotermia potenziata una priorità crescente.

I primi importanti sforzi federali sono iniziati intorno al 2015, quando il Dipartimento dell’Energia ha annunciato i piani per il laboratorio Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy. Le trivellazioni nel sito FORGE selezionato nello Utah, vicino a Milford, sono finalmente iniziate nel 2016. Il laboratorio di ricerca ha ricevuto finora circa 220 milioni di dollari in fondi federali. Più recentemente, il DOE ha annunciato l’intenzione di investire altre decine di milioni di dollari nel settore attraverso l’iniziativa Enhanced Geothermal Shot.

Tuttavia, negli Stati Uniti sono ancora pochi i sistemi geotermici potenziati che operano a livello commerciale.

La scommessa di Fervo

Latimer ha letto il documento del MIT mentre lavorava in Texas come ingegnere di perforazione per la BHP, una società di estrazione di metalli, petrolio e gas, in un momento in cui stava diventando sempre più preoccupato per il cambiamento climatico. Grazie al suo lavoro, era convinto che l’industria del fracking del gas naturale avesse già risolto alcune delle sfide tecniche ed economiche evidenziate nel rapporto.

Alla fine Latimer lasciò il lavoro e si iscrisse alla Stanford Business School, con l’obiettivo di creare una startup geotermica. Incontrò presto Jack Norbeck, che stava ultimando la sua tesi di dottorato. La tesi comprendeva un capitolo incentrato sulla modellazione applicata dei risultati di Los Alamos.

La coppia ha co-fondato Fervo nel 2017. Da allora l’azienda ha raccolto quasi 180 milioni di dollari in capitale di rischio da Breakthrough Energy Ventures di Bill Gates, DCVC, Capricorn Investment Group e altri. Ha anche annunciato diversi accordi commerciali per l‘acquisto di energia per futuri progetti geotermici potenziati, tra cui un impianto da cinque megawatt nel sito del Nevada che contribuirà ad alimentare le operazioni di Google nello Stato.

In base a questi accordi, Fervo ha l’obbligo di fornire un flusso costante di elettricità priva di emissioni di anidride carbonica, non le caratteristiche flessibili che sta esplorando. Ma quasi fin dall’inizio, le aziende di servizi pubblici e altri potenziali clienti hanno detto all’azienda che dovevano allinearsi a fonti pulite in grado di aumentare e diminuire la produzione, per conformarsi a normative climatiche sempre più severe e bilanciare la quota crescente di produzione eolica e solare variabile sulla rete.

“Se riusciamo a trovare un modo per risolvere questo problema”, dice Norbeck e Latimer, “potremmo davvero avere un modo per cambiare il mondo”. 

Fervo ha iniziato a valutare se fosse possibile farlo sfruttando un’altra caratteristica dei sistemi geotermici potenziati, che i ricercatori di Los Alamos avevano evidenziato anche in esperimenti successivi.

Creare fratture in rocce a bassa permeabilità significa che l’acqua nel sistema non può facilmente fuoriuscire in altre aree. Di conseguenza, se si chiude il sistema di pozzi e si continua a pompare acqua, si può creare una pressione meccanica all’interno del sistema, poiché le sezioni di roccia fratturate spingono contro il terreno.

“Le fratture sono in grado di dilatarsi e cambiare forma, quasi come palloncini”, spiega Norbeck.

La pressione può quindi essere utilizzata. In una serie di esperimenti di modellazione, Fervo ha scoperto che una volta riaperta la valvola, i palloncini si sgonfiano effettivamente, il flusso d’acqua aumenta e la generazione di elettricità aumenta. Se lo si “carica” per giorni, aggiungendo acqua ma non facendola uscire, può generare elettricità per giorni.

Ma l’azienda doveva ancora verificare se poteva funzionare nel mondo reale.

I test

Dopo aver attraversato la contea di Humboldt, in Nevada, Latimer si immise su una strada sterrata. Il sito di Fervo si annunciava con un impianto di trivellazione bianco in lontananza, che svettava a 150 piedi sopra una distesa di deserto marrone. La geologia di questo particolare tratto di terra comprende rocce calde a bassa profondità, ma non la permeabilità necessaria per gli impianti tradizionali.

Nel 2022, l’azienda ha perforato due pozzi gemelli, utilizzando una punta a taglio fisso da quasi 10 pollici per scavare lentamente attraverso formazioni miste metasedimentarie e granitiche. I pozzi si piegano gradualmente sotto la terra, scendendo alla fine a circa 8.000 piedi di profondità e percorrendo circa 4.000 piedi in orizzontale.

Fervo ha poi iniettato acqua fredda ad alta pressione per creare centinaia di fratture verticali tra di esse, formando di fatto un gigantesco radiatore sotterraneo in mezzo a rocce che raggiungono quasi i 380 ˚F (193 ˚C).

Intorno alle 8 del mattino del 28 gennaio, l’azienda ha chiuso la valvola del cosiddetto pozzo di produzione, dove l’acqua sarebbe normalmente affiorata, dando inizio ai primi test di quello che chiama Fervo Flex. La pressione è salita a diverse centinaia di libbre per pollice quadrato e ha continuato a crescere gradualmente nelle 10 ore successive.

Norbeck era in piedi vicino al pozzo quando lo hanno riaperto verso le 19.00, con l’occhio puntato sull’indicatore di bolla di una grande cassa di sbarramento gialla, uno strumento semplice e collaudato per misurare le portate. L’acqua calda ha prodotto un lampo di vapore quando ha toccato l’aria aperta e le letture hanno raggiunto un picco.

I dipendenti di Fervo hanno continuato i test per giorni, spegnendo il pozzo per otto o dieci ore e riaprendolo per 14 o più, facendolo funzionare come in una rete con abbondante energia solare diurna. La mattina della nostra visita, l’azienda era impegnata da diversi giorni nel tentativo di far funzionare il sistema senza pompare altra acqua, per capire quanto potrebbe durare come forma di accumulo di energia.

Fervo potrebbe essere la prima azienda a testare sul campo questo mezzo per combinare stoccaggio e flessibilità in un sito geotermico potenziato. La divisione ARPA-E del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fornito un finanziamento di 4,5 milioni di dollari per gli esperimenti.

All’interno del rimorchio di sicurezza del sito, Latimer aprì un computer portatile e iniziò a scorrere una presentazione. Una serie di grafici mostrava una serie di curve regolari e di picchi, mentre la pressione aumentava e la produzione saliva in ciascuno dei test. Poi ha fatto clic su una pagina che mostrava i risultati precedenti dei modelli, che più o meno rispecchiavano i risultati.

“Funziona, è il succo del discorso”, ha detto Latimer. “Quello che abbiamo modellato è esattamente quello che è successo”.

Valore alla rete

La sfida principale nella creazione di un settore energetico privo di emissioni di carbonio è che la quantità di elettricità generata dai parchi eolici e solari fluttua drammaticamente durante il giorno e l’anno.

Ciò creerà sfide sempre più significative man mano che le fonti rinnovabili domineranno le reti elettriche. Gli studi rilevano che i costi totali del sistema iniziano a salire bruscamente quando le rinnovabili superano circa l’80% della generazione, a meno che non vi siano importanti fonti di elettricità priva di carbonio in grado di funzionare su richiesta, forme più economiche di stoccaggio dell’energia a lunga durata o altre soluzioni tecniche.

Questo perché ci possono essere lunghi periodi dell’anno in cui il solare, l’eolico e altre fonti fluttuanti non forniscono abbastanza energia per far funzionare le cose durante la notte o il giorno. Le reti regionali che si affidano quasi interamente a queste risorse dovrebbero spesso aggiungere enormi banchi di batterie, costose e dalla vita relativamente breve, e altri impianti di energia rinnovabile per caricarle, solo per mantenere le luci accese in quei periodi.

Una centrale geotermica in grado di aumentare e diminuire l’elettricità e di sostituire le fonti rinnovabili in calo per ore o giorni, promette di affrontare queste sfide, fornendo una risorsa di grande valore per le reti sempre più verdi.

“Le innovazioni tecnologiche che stiamo dimostrando… permetterebbero facilmente alla geotermia di ricoprire quel ruolo del 20%”, afferma Latimer.

L’anno scorso i ricercatori di Princeton, in collaborazione con Fervo, hanno effettuato una serie di simulazioni di reti elettriche a zero emissioni di carbonio negli Stati Uniti occidentali nel 2045, esplorando quali tecnologie sarebbero più interessanti per le versioni a basso costo di tali sistemi.

L’aggiunta delle caratteristiche di flessibilità di Fervo ha reso la geotermia un’opzione molto più interessante. Oggi negli Stati Uniti ci sono solo circa quattro gigawatt di energia geotermica. Ma per gli scenari futuri, il modello ha aggiunto tra i 25 e i 74 gigawatt di capacità geotermica flessibile alle sue reti carbon-free, rispetto ai soli 28 gigawatt di quando gli impianti geotermici non potevano operare in questo modo. La capacità aggiuntiva di questi impianti ha anche ridotto i costi totali del sistema di rete fino al 10%.

“Se riusciamo a farlo funzionare… potrebbe essere un affare molto grande”, afferma Wilson Ricks, ricercatore sui sistemi energetici di Princeton e autore principale del documento di lavoro.

Queste caratteristiche dovrebbero anche aumentare il valore economico e i profitti degli impianti geotermici stessi, rendendoli potenzialmente più facili da finanziare.

Da tempo altre aziende hanno trovato il modo di ridurre la produzione degli impianti geotermici. Ma spesso non ha molto senso dal punto di vista finanziario: si chiude l’impianto e non si viene pagati.

Nel caso di Fervo, tuttavia, questi impianti potrebbero ridurre la produzione nei periodi in cui l’abbondanza di energia solare o eolica deprime il prezzo all’ingrosso dell’elettricità e produrre più del solito quando queste fonti diminuiscono e i prezzi aumentano, secondo Latimer.

Domande aperte

Tuttavia, Fervo deve ancora affrontare alcune sfide reali.

Sebbene tutto questo sembri perfetto nei modelli e ora nei test sul campo, per far funzionare i numeri per gli impianti commerciali potrebbero essere necessari cambiamenti significativi nelle regole del mercato dell’elettricità e nei contratti di acquisto di energia. Le strutture in vigore oggi premiano ancora in larga misura gli operatori che si impegnano a lavorare sempre alla massima capacità.

L’azienda dovrà inoltre lavorare ancora molto per dimostrare che queste capacità di stoccaggio e di ramping possono funzionare in modo continuativo all’interno di impianti commerciali su larga scala che operano in una varietà di regioni e geologie.

Nel frattempo, rimangono alcune importanti domande sulla geotermia avanzata come concetto di base, a prescindere dalle caratteristiche aggiuntive che Fervo sta esplorando.

Il campo ha subito un duro colpo nel 2009, quando un primo sforzo commerciale a Basilea, in Svizzera, sembra aver innescato una serie di piccoli terremoti, tra cui un evento di magnitudo 3,4, che avrebbe causato danni per diversi milioni di dollari.

Da allora sono stati compiuti notevoli progressi nella selezione dei siti, nella progettazione dei pozzi e in altre pratiche che riducono al minimo la possibilità di provocare eventi sismici di notevole entità, afferma Joseph Moore, ricercatore principale responsabile di Utah FORGE. Le caratteristiche aggiuntive di stoccaggio e flessibilità che Fervo sta esplorando non dovrebbero introdurre ulteriori pericoli di questo tipo, aggiunge.

Tuttavia, la sismicità indotta rimane un problema che deve essere gestito con attenzione e monitorato costantemente, e crea preoccupazioni per le comunità che prendono in considerazione tali progetti.

Inoltre, semplicemente non sono stati costruiti o fatti funzionare per lunghi periodi molti sistemi geotermici potenziati. Potrebbe essere ancora difficile o costoso creare in modo affidabile un numero di fratture e percorsi sufficiente a garantire i tassi di flusso necessari in alcuni casi e luoghi, afferma Travis McLing, responsabile del programma geotermico presso l’Idaho National Laboratory.

Inoltre, i sistemi potrebbero perdere permeabilità nel tempo a causa della formazione di biofilm nei pozzi, della formazione di minerali nelle fratture e di altri cambiamenti. Secondo McLing, ciò potrebbe ridurre la produzione e compromettere l’economia. “La sostenibilità del giacimento è la mia più grande preoccupazione”, ha scritto in un’e-mail.

“Fondamenti fondamentali“

Latimer sottolinea inoltre che il settore geotermico ha compiuto notevoli progressi nella comprensione dei rischi sismici e nello sviluppo di pratiche che riducono al minimo le probabilità di provocare terremoti significativi.

Ciò include la trivellazione orizzontale di più zone geologiche, per calcolare gli spostamenti di pressione in aree più ampie, come ha fatto Fervo in Nevada. L’azienda ha inoltre collaborato con il Servizio geologico degli Stati Uniti per monitorare da vicino la sismicità del sito e valutare altre tecniche sviluppate per ridurre ulteriormente tali rischi.

Il piano commerciale di Fervo è ancora incentrato sulla produzione di un flusso costante di elettricità pulita. L’impianto del Nevada inizierà a fornire proprio questo a Google e ad altri clienti nel corso dell’anno.

Ma Latimer e Norbeck ritengono che la flessibilità e le caratteristiche di stoccaggio saranno un bonus economico in aggiunta ai vantaggi principali dei sistemi geotermici potenziati e che i primi risultati sul campo dimostrano che vale la pena continuare a esplorare il potenziale.

“Ci ha dato la certezza che le basi fondamentali ci sono”, dice Norbeck. “Ora si tratta di ottimizzare, ridurre i costi e cose del genere. Ma la fisica è tutta validata e il concetto può funzionare”.

Foto di copertina: il sito dimostrativo geotermico potenziato di Fervo nel Nevada settentrionale.