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No final de janeiro, uma startup de energia geotérmica começou a realizar um experimento nas profundezas do deserto ao norte de Nevada (EUA). Ela bombeava água a milhares de metros de profundidade e a reteve lá, observando o que aconteceria.
As usinas geotérmicas funcionam circulando água através de rochas quentes bem abaixo da superfície. Na maioria das usinas modernas, a água ressurge em uma cabeça de poço, ponto onde a água quente e o vapor saem da terra,e onde normalmente está quente o suficiente para converter fluidos refrigerantes ou outros em vapor, acionando uma turbina e gerando eletricidade.
Mas a Fervo Energy, sediada em Houston (EUA), está testando uma nova versão da abordagem padrão, e naquele dia, seus engenheiros e executivos estavam simplesmente interessados em coletar dados.
As leituras dos medidores instalados nos poços gêmeos da empresa mostraram que a pressão começou a aumentar rapidamente, à medida que a água, que não tinha para onde ir, deformou a própria rocha. Quando eles finalmente abriram a válvula, a saída de água aumentou e continuou a ser bombeada em níveis acima do normal por horas.
Os resultados dos experimentos iniciais, que a MIT Technology Review americana está relatando exclusivamente, sugerem que a Fervo pode criar usinas geotérmicas flexíveis, capazes de aumentar ou diminuir a produção de eletricidade conforme necessário. E, possivelmente mais importante, o sistema pode armazenar energia por horas ou até dias e devolvê-la em períodos semelhantes, atuando efetivamente como uma bateria gigante e de longa duração. Isso significa que as usinas podem interromper a produção quando as fazendas solares e eólicas estiverem funcionando e fornecer um rico fluxo de eletricidade limpa quando essas fontes enfraquecerem.
Ainda restam dúvidas se em larga escala isso iria funcionar bem, de forma acessível e segura. Mas se a Fervo puder construir usinas comerciais com essa funcionalidade adicional, ela preencherá uma lacuna crítica nas redes elétricas atuais, tornando mais barato e fácil eliminar as emissões de gases de efeito estufa dos sistemas elétricos.
“Nós sabemos que só gerar e vender energia geotérmica tradicional é incrivelmente valioso para a rede elétrica”, diz Tim Latimer, diretor-executivo e cofundador da Fervo. “Mas, com o passar do tempo, nossa capacidade de ser responsivo, aumentar, diminuir e armazenar energia aumentará ainda mais em valor”.
‘Rodovia geotérmica’
No início de fevereiro, Latimer foi até o aeroporto de Reno, no estado de Nevada, para buscar a mim e a um colega da Fervo e nos levou até o local da empresa.
“Bem-vindo à Rodovia Geotérmica”, disse ele ao volante de uma picape da empresa, enquanto passávamos pela primeira de várias usinas geotérmicas ao longo da Interestadual 80.
A rodovia corta uma planície desértica no meio da Bacia e Cordilheira de Nevada, uma série de vales paralelos e cadeias montanhosas formadas pela separação de placas tectônicas.
A crosta terrestre se esticou, afinou e quebrou em blocos que se inclinaram, formando montanhas em áreas elevadas, enquanto as bacias foram preenchidas e niveladas com sedimentos e água, como John McPhee descreveu de forma memorável em seu livro de 1981, Basin and Range. De uma perspectiva geotérmica, o que importa é que todo esse esticamento e inclinação trouxeram rochas quentes para relativamente perto da superfície.
Há muito o que amar na energia geotérmica: ela oferece uma fonte praticamente ilimitada e sempre ativa de calor e eletricidade sem emissões de carbono. Se os EUA pudessem aproveitar apenas 2% da energia térmica disponível de 3 a 9 quilômetros abaixo de sua superfície, poderiam produzir mais de 2.000 vezes o consumo anual total de energia do país.
Mas devido a restrições geológicas, altos custos de capital e outros desafios, quase não a usamos: hoje ela é responsável por apenas 0,4% da geração de eletricidade nos Estados Unidos.
Até o momento, os construtores de usinas geotérmicas conseguiram explorar apenas os locais mais promissores e econômicos, como este trecho de Nevada. Eles precisam ser capazes de perfurar rochas porosas, permeáveis e quentes em profundidades relativamente baixas. A permeabilidade da rocha é essencial para permitir que a água se mova entre dois poços perfurados pelo homem em tal sistema, mas também é o recurso que muitas vezes falta em áreas favoráveis.
A partir do início dos anos 70, os pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos começaram a mostrar que poderíamos contornar essa limitação. Eles descobriram que, usando técnicas de fracking (conhecido também como fraturamento hidráulico) semelhantes às que são empregadas agora na indústria de petróleo e gás, poderia-se criar ou ampliar rachaduras dentro de rochas relativamente sólidas e muito quentes. Em seguida, eles poderiam adicionar água nelas, basicamente construindo radiadores subterrâneos.
Esse sistema geotérmico “aperfeiçoado” funciona basicamente como qualquer outro, mas viabiliza a possibilidade de construir usinas em locais onde a rocha ainda não é permeável o suficiente para permitir a circulação de água quente com facilidade. Pesquisadores da área argumentam há décadas que, se reduzirmos o custo de tais técnicas, isso desbloqueará vastas novas áreas do planeta para o desenvolvimento geotérmico.
Um estudo importante do MIT em 2006 estimou que, com um investimento de US$ 1 bilhão ao longo de 15 anos, usinas geotérmicas aprimoradas poderiam produzir 100 gigawatts de capacidade adicional na rede elétrica até 2050, colocando-as no mesmo nível das fontes renováveis mais populares. (Em comparação, cerca de 135 gigawatts de capacidade solar e 140 gigawatts de energia eólica foram instalados nos EUA.)
“Se pudermos descobrir como extrair o calor da terra em lugares onde não há um sistema geotérmico circulante natural, então teremos acesso a um recurso verdadeiramente enorme”, diz Susan Petty, colaboradora desse estudo e fundadora da AltaRock Energy, sediada em Seattle, uma das primeiras startups geotérmicas aprimoradas.
Os EUA não investiram o valor total durante o período indicado no relatório. Mas tem feito da geotermia aprimorada uma prioridade crescente nos últimos anos.
Os primeiros grandes esforços federais começaram por volta de 2015, quando o Departamento de Energia (DOE) anunciou planos para o laboratório Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy. A perfuração no local selecionado de Utah FORGE, perto de Milford (EUA), finalmente começou em 2016. O laboratório de pesquisa recebeu cerca de US$ 220 milhões em verbas federais até o momento. Mais recentemente, o DOE anunciou planos para investir dezenas de milhões de dólares a mais no setor por meio de sua iniciativa Enhanced Geothermal Shot.
Mas ainda existem apenas alguns sistemas geotérmicos aprimorados operando comercialmente nos EUA hoje.
A aposta da Fervo
Latimer leu aquele artigo do MIT enquanto trabalhava no Texas (EUA) como engenheiro de perfuração para a BHP, uma empresa de mineração de metal, petróleo e gás, em um momento em que ele estava ficando cada vez mais preocupado com as mudanças climáticas. Sua experiência o convenceu de que a indústria de fracking de gás natural já havia resolvido alguns dos desafios técnicos e econômicos destacados no relatório.
Visando criar uma startup geotérmica, Latimer largou o emprego e foi para a Stanford Business School (EUA), onde conheceu Jack Norbeck, que estava terminando sua dissertação de doutorado. Em seu trabalho, Norbeck incluiu um capítulo focado na modelagem aplicada das descobertas de Los Alamos.
A dupla fundou a Fervo em 2017. Desde então, a empresa arrecadou quase US$ 180 milhões em capital de risco de grandes organizações como Breakthrough Energy Ventures, DCVC, Capricorn Investment Group e outras. Também foram anunciados vários acordos comerciais de compra de energia para futuros projetos geotérmicos aprimorados, incluindo uma usina de cinco megawatts no local de Nevada que ajudará a impulsionar as operações do Google no estado.
Sob esses acordos, a Fervo é contratada para fornecer um fluxo constante de eletricidade livre de carbono, não os recursos flexíveis que está explorando. Mas quase desde o início, as empresas de serviços públicos e outros clientes em potencial disseram à startup que precisavam buscar fontes limpas que pudessem aumentar ou diminuir a geração de energia conforme a demanda, para cumprir os regulamentos climáticos cada vez mais rígidos e equilibrar a crescente participação de fontes variáveis de energia, como a eólica e a solar, na rede elétrica.
“Se pudermos encontrar uma maneira de resolver isso”, diz Norbeck, ele e Latimer perceberam, “podemos realmente ter uma maneira de mudar o mundo”.
A Fervo começou a explorar se eles poderiam fazer isso aproveitando outra característica dos sistemas geotérmicos aprimorados, que os pesquisadores de Los Alamos também destacaram em experimentos posteriores.
Criar fraturas em rochas com baixa permeabilidade implica que a água no sistema não pode vazar facilmente para outras áreas. Consequentemente, se você fechar o sistema do poço e continuar bombeando água, poderá aumentar a pressão mecânica dentro do sistema, à medida que as seções de rocha fraturada pressionam contra a terra.
“As fraturas podem dilatar e mudar de forma, quase como balões”, diz Norbeck.
Essa pressão pode então ser colocada em prática. Fervo descobriu, em uma série de experimentos de modelagem, que uma vez que a válvula é reaberta, esses balões esvaziam, o fluxo de água aumenta e gera um pico de energia. Se eles “carregassem” o sistema por dias, adicionando água sem deixá-la sair, ela poderia gerar eletricidade por dias.
Mas a empresa ainda precisava ver se poderia funcionar no mundo real.
Os testes
Após cruzar o condado de Humboldt, Nevada, Latimer eventualmente virou em uma estrada de terra. O local de perfuração da Fervo se anunciou com uma enorme plataforma de perfuração branca à distância, erguendo-se a 45 metros acima de um trecho de deserto marrom. A geologia sob este trecho particular de terra inclui rochas quentes em profundidades rasas, mas não a permeabilidade necessária para centrais elétricas tradicionais.
Em 2022, a empresa perfurou poços gêmeos lá, usando uma broca de corte fixo de quase 25 centímetros para triturar lentamente formações metassedimentares e graníticas mistas. Os poços gradualmente se dobram sob a terra, mergulhando cerca de 2.438 metros de profundidade e se estendendo horizontalmente 1.219 metros.
A Fervo, em seguida, injetou água fria sob alta pressão para criar centenas de fraturas verticais entre eles, formando efetivamente um radiador subterrâneo gigante em meio à rocha que atinge quase 193 ˚C.
Por volta das 8h do dia 28 de janeiro, a empresa fechou a válvula do chamado poço de produção, onde normalmente a água viria à superfície, iniciando os primeiros testes do que eles chamam de Fervo Flex. A pressão aumentou para várias centenas de libras por polegada quadrada (psi) e continuou a aumentar gradualmente nas próximas 10 horas.
Norbeck estava perto daquele poço quando eles o abriram por volta das 19h, com os olhos fixos no medidor de bolhas de uma grande Weir box amarela, uma ferramenta simples e antiga, para medir taxas de fluxo. A água quente produziu uma súbita emissão de vapor ao atingir o ar livre e as leituras chegaram ao ponto mais alto.
Os funcionários da Fervo continuaram os testes por dias, fechando o poço por 8 a 10 horas e reabrindo-o por 14 ou mais, operando-o como fariam em uma rede com disponibilidade abundante de energia solar durante o dia. Na manhã de nossa visita, a empresa estava há vários dias tentando operar o sistema sem bombear mais água, para entender quanto tempo ele poderia durar como forma de armazenamento de energia.
A Fervo pode ser a primeira empresa a testar em campo esse meio de combinar armazenamento e flexibilidade em um local geotérmico aprimorado. A divisão Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) do Departamento de Energia dos EUA forneceu US$ 4,5 milhões em financiamento para os experimentos.
Dentro do trailer de segurança do local, Latimer abriu um laptop e começou a clicar em uma apresentação. Um conjunto de gráficos exibia uma série de curvas suaves e picos à medida que a pressão crescia e a produção disparava em cada um dos testes. Em seguida, ele clicou em uma página que mostrava os resultados anteriores dos modelos, que mais ou menos refletiam os resultados dos testes feitos
“Em resumo, funciona”, disse Latimer. “Aconteceu exatamente o que esperávamos”.
Valor para a rede elétrica
O principal desafio na criação de um setor de energia livre de carbono é que a quantidade de eletricidade gerada por fazendas eólicas e solares flutua drasticamente ao longo do dia e do ano.
Isso criará desafios cada vez mais significativos à medida que as energias renováveis dominarem as redes elétricas. Estudos constatam que os custos totais do sistema começam a aumentar drasticamente à medida que a energia gerada por fontes renováveis excedem cerca de 80%, a menos que existam fontes importantes de eletricidade livre de carbono que possam funcionar sob demanda, formas mais baratas de armazenamento de energia de longa duração ou outras soluções técnicas.
Isso ocorre porque pode haver períodos prolongados durante o ano em que a energia solar, eólica e outras fontes variáveis não fornecem energia suficiente para manter as coisas funcionando durante a noite ou o dia. Somente para manter as luzes acesas nesses trechos, as redes regionais que dependem quase inteiramente desses recursos muitas vezes teriam que adicionar em seus fluxos enormes bancos de baterias caras e de vida relativamente curta, assim como mais usinas renováveis para carregar essas baterias.
Uma usina de energia geotérmica, que possa aumentar ou diminuir a quantidade de eletricidade que gera para suprir a rede elétrica enquanto essas fontes de energia passam por esses períodos de baixo rendimento, promete enfrentar esses desafios, fornecendo um recurso altamente valioso para as redes elétricas que estão se tornando cada vez mais sustentáveis.
“As inovações tecnológicas que estamos demonstrando… permitiriam facilmente que a geotérmica ocupasse esse papel dos 20% restantes”, diz Latimer.
No ano passado, pesquisadores de Princeton (EUA), em conjunto com a Fervo, realizaram uma série de simulações computacionais de redes elétricas livres de carbono no oeste dos EUA no ano de 2045, explorando quais conjuntos de tecnologias seriam mais atraentes para as versões de menor custo desses sistemas.
Ao adicionar os recursos de flexibilidade da Fervo, a geotermia se tornou uma opção muito mais atraente. Hoje existem apenas cerca de quatro gigawatts de energia geotérmica nos EUA. Mas, para cenários futuros, o modelo adicionou entre 25 e 74 gigawatts de capacidade geotérmica flexível às suas redes elétricas livres de carbono, em comparação com apenas 28 gigawatts quando as usinas geotérmicas não podiam operar dessa maneira. A capacidade adicional dessas instalações também reduziu os custos totais do sistema de rede em até 10%.
“Se conseguirmos fazê-lo funcionar… pode ser algo bastante promissor”, diz Wilson Ricks, pesquisador de sistemas de energia de Princeton e principal autor do trabalho.
Esses recursos também devem aumentar o valor econômico e os lucros das próprias usinas geotérmicas, tornando-as potencialmente mais fáceis de financiar.
Já faz um tempo que outras empresas descobriram outras maneiras de reduzir a produção elétrica das usinas geotérmicas. Mas, de um ponto de vista financeiro, não faz muito sentido fazer isso já que você está apenas interrompendo a produção e perdendo dinheiro.
Mas, no caso da Fervo, essas instalações podem diminuir a produção durante os períodos em que a energia solar ou eólica é abundante e está abaixando o preço da eletricidade, e aumentar a produção quando essas fontes diminuem e os preços sobem, diz Latimer.
Perguntas em aberto
Mas a Fervo ainda enfrenta alguns grandes desafios.
Embora tudo isso pareça ótimo em modelos e agora em testes de campo, fazer com que os números funcionem para usinas comerciais pode exigir mudanças significativas nas regras do mercado de eletricidade e nos contratos de compra de energia. As estruturas existentes hoje ainda fornecem grandes incentivos para os operadores que utilizem sempre a capacidade máxima das suas usinas.
A empresa também precisará realizar muito mais testes para demonstrar que esses recursos de armazenamento e a sua capacidade de rápida reação podem funcionar continuamente em usinas comerciais de grande escala que operam em diversas regiões e geologias.
Enquanto isso, algumas questões importantes permanecem em aberto no que diz respeito a geotermia aprimorada como um conceito básico, deixando de lado os recursos adicionais que a Fervo está explorando.
O setor sofreu um grande contratempo em 2009, quando um esforço comercial inicial em Basel, na Suíça, pareceu desencadear uma série de pequenos terremotos, incluindo um evento de magnitude 3,4, que supostamente causou vários milhões de dólares em danos.
Desde então, houve avanços significativos na seleção do local, no projeto do poço e em outras práticas que minimizam a possibilidade de induzir eventos sísmicos consideráveis, diz Joseph Moore, pesquisador-chefe do Utah FORGE. Os recursos adicionais de armazenamento e flexibilidade que a Fervo está explorando não devem apresentar nenhum perigo adicional desse tipo, acrescenta ele.
Mas a sismicidade induzida continua sendo um problema que deve ser tratado com cautela e monitorado continuamente, e cria preocupações para as comunidades que consideram tais projetos.
Além disso, simplesmente não houve muitos sistemas geotérmicos aprimorados construídos ou executados por períodos prolongados. Ainda pode ser difícil ou caro criar de forma confiável fraturas e caminhos suficientes para garantir as taxas de fluxo necessárias em certos casos e locais, diz Travis McLing, líder do programa geotérmico do Laboratório Nacional de Idaho (EUA).
Além disso, os sistemas podem perder a permeabilidade ao longo do tempo, à medida que os biofilmes surgem nos poços, os minerais se formam nas fraturas e outras alterações ocorrem. Isso poderia reduzir a produção e prejudicar a economia, diz McLing. “A sustentabilidade do reservatório é minha maior preocupação”, escreveu ele em um e-mail.
‘Fundamentos básicos’
Latimer também enfatiza que o campo geotérmico fez melhorias significativas no que diz respeito a compreensão dos riscos sísmicos e no desenvolvimento de práticas que minimizam as chances de induzir terremotos significativos.
Isso inclui perfurar horizontalmente através de múltiplas zonas geológicas para mudanças médias de pressão em áreas mais amplas, como a Fervo fez em Nevada. A empresa também fez parceria com o Serviço Geológico dos EUA para monitorar de perto a sismicidade no local e avaliar outras técnicas desenvolvidas para reduzir ainda mais esses riscos.
O plano comercial da Fervo ainda está focado na produção de um fluxo constante de eletricidade limpa. A fábrica de Nevada está pronta para começar a fornecer exatamente isso para o Google e outros clientes ainda este ano.
Mas Latimer e Norbeck acreditam que os recursos de flexibilidade e armazenamento serão um bônus econômico adicional às principais vantagens dos sistemas geotérmicos aprimorados e que os resultados iniciais de campo mostram que vale a pena continuar a explorar o potencial.
“Isso nos deu confiança de que os fundamentos principais estão lá”, diz Norbeck. “Agora tudo se resume a otimização, redução de custos e coisas assim. Mas a física está toda validada e o conceito pode funcionar”.
MIT Technology Review
