Til hovedinnhold

Lager måleutstyr for verdens mest ekstreme miljø

Norske forskere bidrar til å utvikle verdens varmeste geotermiske brønn i et ikke-vulkansk område. Målet er å utnytte den utømmelige varmen fra jordas indre. Men det krever utstyr som tåler det aller, aller meste.
Jordas indre er en utømmelig kilde til energi. Nå går norske og italienske forskere i dypet for å hente den ut. Illustrasjon: Thinkstock.
Jordas indre er en utømmelig kilde til energi. Nå går norske og italienske forskere i dypet for å hente den ut. Illustrasjon: Thinkstock.

Nylig avsluttet det internasjonale forskerteamet et tre år langt EU-prosjekt med navnet DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Super-CRitical, AMbients of continentaL Europe). I prosjektet har teamet samarbeidet om å foreta prøveboring på et felt i Toscana. Italienske Enel Green Power, en global produsent av grønn energi, leder prosjektet, mens norske SINTEF er forskningspartner. Sammen prøver de å tøyle kreftene som befinner seg tre kilometer nede i dypet, mot jordas kjerne.

Brønnen de nå har boret i Italia er verdens varmeste geotermiske brønn i et ikke-vulkansk område. I Italia er jordvarmen tett opptil overflaten, noe som gjør som gjør at landet har områder som er velegnet for geotermiske brønner. Der er det ubarmhjertige temperaturer på opp mot 5-600 grader celsius, og her finnes det som kalles superkritisk vann, og som forskerne jakter på med god grunn: Klarer de å utnytte energien i dette vannet kan de lage jordvarmebrønner som er ti ganger mer effektive enn de som er i drift i dag. Det vil kunne senke kostnadene enormt og bane vei for et energieventyr av rene naturkrefter. Men i den superkritiske fasen blir  væsken etsende og angriper da alt boreutstyr som kommer i dens vei.

Superkritisk energibombe

– Det er mange store utfordringer vi må forsere, men vi har lykkes å komme et godt stykke på vei, sier Magnus Hjelstuen, forskningsleder ved SINTEF Harsh Environment Instrumentation.

Fakta om geotermisk energi:

For hver kilometer man beveger seg innover mot jordas kjerne stiger temperaturen, og i innerste del av kjernen når den 5 000 grader celsius. Varmen er restvarme fra jordas opprinnelse og fra nedbrytning av radioaktive stoffer.

En rekke land utnytter i dag den naturlige varmen i jordas indre ved å omdanne den til elektrisk energi. Dette gjøres ved å bore rør ned i bakken og så hente ut oppvarmet vann som kjøres gjennom turbiner på et kraftverk. Kraftverket produserer elektrisk energi og spillvarmen brukes til oppvarming. En vanlig geotermisk brønn holder en makstemperatur på 350 grader celcius. For at en geotermisk brønn skal defineres som superkritisk, må vannet i brønnen holde minimum 374 grader celsius og ha et trykk på 220 bar. Klarer forskerne å fange det superkritiske vannet kan én brønn være nok til å drive et kraftverk som i dag krever ti brønner. Det vil gjøre at kostnadene stuper og også at fotavtrykket for geotermisk energiproduksjon minimaliseres

Demokratisk og miljøvennlig

Jordvarme er en demokratisk energikilde sett ut i fra at den finnes over hele kloden og kan utnyttes uavhengig av forhold på jordoverflaten, som vær og vind. De stedene i verden som ligger nær kanten på en jordplate er likevel best egnet for å hente jordvarme opp fra bakken. I Europa er det i Italia, Island og Tyrkia hvor forholde ligger best til rette.Jordvarme regnes som fornybar energi. Jordvarmebrønnen slipper ikke ut CO2, men operasjonene rundt brønnen, eksempelvis boreriggene som drives av dieseldrevne aggregater, slipper ut noe CO2. På sikt ønsker man å gå over til elektrisk drevne borerigger, slik at utslippene blir enda mindre. Dette har allerede blitt tatt i bruk av islendingene.

 

 

Måleutstyret SINTEF har utviklet i dette prosjektet er et såkalt «wireline logging tool» som kan måle temperatur og trykk i brønnen. Nettopp slike målinger er alfa og omega i jakten på det ekstremt energirike, superkritiske vannet. Data om temperatur og trykk vil vise om borekronen er kommet ned i en sone der slikt vann kan finnes, og de termiske egenskapene til brønnen (både maks temperatur og temperaturendringer som følge av boringen) vil fortelle hvor mye energi brønnen kan produsere av superkritisk vann. 

Siden det ikke fins elektriske kabler som fungerer over 350°C er SINTEFs måleutstyr batteridrevet. I dypet logger utstyret temperaturen som blir avlest når det returnerer til overflaten.

I den superkritiske fasen blir nemlig væsken etsende og angriper da alt boreutstyr som kommer i dens vei.

Det er ingen enkel oppgave: To til tre kilometer ned mot jordas indre stiger både temperatur og trykk kraftig. Når termometeret passerer 374 grader og trykket øker til 218 ganger lufttrykket på overflata, skjer det nemlig noe helt spesielt: Man støter på det superkritiske vannet. Dette vannet befinner seg i en fysisk form som går fra å være flytende, til å bli gass – og deretter over i superkritisk fase, der det ikke er noen av delene.

Det er dette spesielle vannet som forskerne jakter på – noe ingen før har lyktes med. For å oppnå betingelsene for superkritisk vann må temperaturen på vannet være minimum 374 grader celsius og trykket må være 220 bar.

– En vannsøyle med vann ved romtemperatur må ha en dybde på 2.2 km for å komme opp i 220 bar, forklarer forskeren.

Men når temperaturen på vannet stiger, synker tettheten på vannet. Dette betyr at en må enda dypere for å passere 220 bar og oppnå superkritiske betingelser. Er vannet forurenset av gasser og mineraler, noe det alltid vil være i en jordvarmebrønn, må temperaturen være enda høyere for at vannet skal kunne kalles superkritisk.

Ekstremutstyr

SINTEF bruker elektronikk og sensorer som har ekstrem ytelse. Noen av disse komponentene er hyllevare, mens andre er på prototypenivå. Utfordringen til de norske forskerne har vært å kombinere sensorer og elektronikk og å utvikle programvare som gjør at komponentene kan jobber sammen.

– Vår utfordring har vært å finne en kombinasjon av tilgjengelige komponenter som kan yte maksimalt innenfor de begrensninger vi har på lengde, vekt og diameter på instrumentet – og ikke minst med tanke på det miljøet utstyret møter i brønnen, sier Hjelstuen.

Utsnitt av brønnen som nå bores i Lordello. Illustrasjon: Doghouse

Instrumentet er hele 2,6 meter langt, men bare 76 mm i diameter og veier 50 kilo.

– Som et eksempel bruker vi en mikrokontroller som fungerer helt opp til 300°C. Denne er bare tilgjengelig i tidlige protyper (engineering samples). Derfor har vi hatt et tett samarbeid med produsenten for å få den til å fungere slik vi ønsket, utdyper forskeren.

Heftig trykk og temperatur

Dagens begrensning på elektronikk ligger på rundt 250°C og da er komponentutvalget svært begrenset. Utvalget av batterier er heller ikke stort. Eksempelvis fungerer de mest robuste batteriene som er på markedet bare mellom 70 og 200 grader celsius og de vil eksplodere ved 215 grader celsius. Så å lage måleutstyret har vært en utfordrende prosess.

– Ettersom vi begynner å bore oppe ved vanlig bakkenivå, så kan temperaturen på en vinterdag være ned mot 0 grader celsius i begynnelsen og deretter vil den stige til over 400 grader mot bunnen av brønnen. Å takle slike svingninger krever enormt av egenskapene til utstyret. Vi har laget en omvendt termos som holder temperaturen inne i termosen på maksimalt 210 grader, slik at påkjenningene til utstyret skal bli mindre, sier Hjelstuen.

De prøver ut og tester sensorene før de sendes ut i felten.

– I alle ledd så er det ekstremt mye testing og testingen må gjøres for best mulig å simulere det miljøet som instrumentene våre vil møte i brønnen. Vi har blant annet brukt en varmeovn på Raufoss for å teste teknologien opp til 450°C.

Enormt potensial

I prosessen med å temme kreftene i det superkritiske vannet nyter forskerne godt av norsk oljeindustri sine erfaringer med dype oljebrønner. Utnyttelse av jordvarmen har mye til felles med oljeutvinning. Derfor er olje-teknologer med på laget. Men mens man i mange tiår har klart å utnytte ressursene som ligger i olje, så er det ingen som hittil har klart å få fatt i det superkritiske vannet.

– Klarer vi å utnytte jordvarmen vil det være nok av den til å forsyne hele jordas befolkning med energi i mange generasjoner.

– Klarer vi å utnytte jordvarmen vil det være nok av den til å forsyne hele jordas befolkning med energi i mange generasjoner. Det finnes atomkraftverk hvor man kjører betingelser for superkritisk vann gjennom turbinene, så vi vet at vi kan klare å utnytte energien i et det superkritiske vannet hvis vi først får det opp.

I forskningsprosjektets dypeste dykk ned i jorda utførte forskerne målinger helt ned til 2810 meter. Her var det hele 443,6 grader celsius.

Vil gå enda dypere

– Vi fikk prøvekjørt instrumentet vårt og det holdt under de høye temperaturene, noe som var en milepæl. Dessverre var vi ikke så heldig at vi traff et sted der det rant vann inn i brønnen. Nå er vi i gang med ny EU-søknad for å ta prosjektet opp på neste nivå: Vi vil bore enda dypere, til 3.1 km, der håper vi at vi kan finne en vannkilde og teste produksjon av energi fra denne kilden, sier Hjelstuen.

Finner de ikke en vannkilde må de lage en ekstra brønn som kan injisere vann inn i formasjonen som igjen tas ut gjennom den andre brønnen. Uansett må de utvikle utstyr som tåler enda høyere varmebelastning ettersom de nå planlegger å trenge dypere ned.

– For SINTEF betyr det mye å få være med på denne energijakten. Det å muliggjøre sensormålinger på steder hvor det tidligere ikke har vært mulig er midt i smørøyet for oss. Nå planlegger vi å lage utstyr som tåler opp til 600 grader celsius, sier SINTEF-forskeren.

I dag kan utstyret måle trykk og temperatur, men i neste fase planlegges det også å lages utstyr for å kunne hente ut væskeprøver fra brønnen slik at disse kan analyseres etterpå.

– Målene vi setter oss er ambisiøse, men vi har stor tro på at vi skal klare å lykkes, sier Magnus Hjelstuen, i SINTEF.

Dette har de norske forskerne jobbet med:

  • Elektronikkdesign for svært høye temperaturer. Spesielt fokus på måle høyest mulig temperatur samtidig med logging av data med lavest mulig strømforbruk.
  • Testing av forskjellige batteriteknologier. På grunn av kjemien i batteriene vil de bare fungere innenfor et begrenset temperaturområde. Batteriene de har valgt å bruke fungerer fra 70-200°C. Utstyret må også fungere ved vanlig romtemperatur.
  • Valg av sensorøsninger som kan fungere i de krevende omgivelsene. Enkelte komponenter skjermes ved at de får et eget varmeskjold.
  • Testing av tetningsløsninger og utvikling av testmetodikk som åpner for simuleringer av de tøffe betingelsene i brønnen.  (opp til 450 bar og 450°C). Instrumentet må bruke metalltegninger ( o-ringer kan kun brukes opp til ca 325°). Flere forsøk måtte til før forskerne fant en løsning før som kunne motstå det høye trykket og temperaturen samtidig.
  • Termiske simuleringer for å estimere den termiske fluksen inn gjennom varmeskjoldet, dette for å dimensjonere volumet som trengs av heat sink materialet (kobber) inne i måleinstrumentet. Dette styrer også vekt, lengde og størrelse på utstyret, som bør være lavest mulig.
  • Mekanisk design og valg av metaller som vil fungere i det ekstreme miljøet.

 

Publisert 5. april 2018
av Unni Skoglund for Gemini.no
Forskningsleder