Norska forskare bidrar till utvecklingen av världens hetaste geotermiska brunn i ett icke-vulkaniskt område. Målet är att utnyttja den outtömliga värmetillförseln från jordens inre, och detta kräver utrustning som tål de mest extrema förhållandena.

Ett internationellt forskargrupp avslutade nyligen ett treårigt EU-projekt med namnet DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Superkritisk, omgivningar i det kontinentala Europa). Tillsammans, projektgruppen har borrat en testbrunn i ett geotermiskt fält i Toscana i Italien. Det italienska företaget Enel Green Power, en global producent av grön energi, leder projektet, med SINTEF som forskningspartner. Tillsammans försöker de utnyttja de naturkrafter som finns tre kilometer närmare jordens kärna.

Borrhålet är världens hetaste geotermiska brunn i ett icke-vulkaniskt område. Eftersom markvärme påträffas nära ytan i Italien, landet är rikt på områden lämpade för geotermisk borrning – med brännande temperaturer som når 500-600 grader Celsius, vilket resulterar i superkritiskt vatten som forskarna hoppas kunna upptäcka. Och de har mycket goda skäl. Om de kan lyckas utnyttja energin i detta vatten, de kan borra geotermiska brunnar som är tio gånger så effektiva som de som för närvarande är i drift. Detta har potential att minska kostnaderna dramatiskt och bana väg för en fantastisk energiframtid baserad på rena naturresurser. Dock, i sin superkritiska fas, vätskan är frätande och angriper all borrutrustning som möter den.

Superkritisk energibomb

"Vi står inför många stora utmaningar, men vi har kommit långt, säger Magnus Hjelstuen, Forskningschef på SINTEF Harsh Environment Instrumentation.

Den mätutrustning SINTEF har utvecklat som en del av detta projekt är ett så kallat "wireline logging tool" som kan mäta temperaturer och tryck i borrhålet. Sådana mätningar är avgörande i sökandet efter det extremt energirika superkritiska vattnet. Temperatur- och tryckdata indikerar när borrkronan har kommit in i en zon som innehåller sådant vatten, och brunnens geotermiska egenskaper (både maximal temperatur och temperaturförändringar orsakade av borrning) kommer att berätta för oss hur mycket energi brunnen kan producera.

Eftersom elektriska kablar inte fungerar vid temperaturer över 350 ° C, SINTEFs mätutrustning är batteridriven. Temperaturen loggas djupt i borrhålet och läses av när enheten kommer tillbaka till ytan.

I sin superkritiska fas, vätskan är frätande och angriper eventuell borrutrustning som möter den.

Detta är ingen enkel uppgift. Två till tre kilometer in i jordens inre stiger temperaturen och trycket enormt. Något alldeles speciellt händer när temperaturen når 374 grader och trycket är 218 gånger lufttrycket vid ytan. Vi möter det vi kallar superkritiskt vatten. Detta vatten är i ett fysiskt tillstånd som går från vätska till gas – och därifrån till en superkritisk fas, där det inte är någondera.

Det är denna speciella form av vatten, ännu oupptäckt, som forskarna letar efter. För att nå de villkor som gör det superkritiskt, vattnet måste ha en temperatur på minst 374°C, under tryck på 200 bar.

"En vattenpelare vid rumstemperatur måste föras till ett djup av 2,2 kilometer under ytan för att nå ett tryck på 220 bar, " förklarar Hjelstuen.

Men när vattnets temperatur stiger, dess densitet sjunker. Det betyder att vi måste gå ännu djupare för att passera 220 bar och uppnå superkritiska förhållanden. Om vattnet är förorenat med gaser och mineraler, vilket alltid är fallet i en geotermisk brunn, temperaturen måste vara högre fortfarande för att vattnet ska bli superkritiskt.

Extrem utrustning

SINTEF använder elektronik och sensorer med extrema möjligheter. Vissa av komponenterna är vanliga, medan andra fortfarande är på prototypstadiet. Utmaningen för de norska forskarna har varit att kombinera sensorerna och elektroniken, och sedan utveckla datorprogram som gör att komponenterna kan fungera tillsammans.

"Vår utmaning har varit att hitta en kombination av befintliga komponenter som kan fungera optimalt inom våra begränsningar vad gäller instrumentlängd, vikt och diameter – inte minst med tanke på den miljö som utrustningen kommer att möta i brunnen, säger Hjelstuen.

Instrumentet är 2,6 meter långt och väger 50 kg, men har en diameter på endast 76 millimeter.

"Till exempel, Vi använder en mikrokontroller som fungerar vid temperaturer upp till 300 ° C. Detta är endast tillgängligt som en tidig prototyp (ingenjörsprov). Så vi har arbetat nära med tillverkaren för att få den att fungera som vi vill att den ska, " han lägger till.

Intensivt tryck och temperatur

För närvarande, gränstemperaturen för elektronik är cirka 250°C, och detta innebär att utbudet av tillgängliga komponenter är mycket begränsat. Antalet lämpliga batterier är inte heller stort. Till exempel, de mest robusta batterierna på marknaden fungerar vid temperaturer på endast 70 till 200°C och skulle explodera om de utsätts för en temperatur på 215 grader. Så att göra mätutrustning kan vara en utmanande process.

"Eftersom vi börjar borra vid normala ytförhållanden, temperaturen på en vinterdag kan vara så låg som 0 ° C till att börja med, stigande till över 400°C vid botten av en brunn. Att hantera sådana fluktuationer ställer enorma krav på utrustningen. Vi har skapat en sorts "omvänd termosflaska" där innertemperaturen hålls under 210 grader för att minska belastningen på utrustningen, säger Hjelstuen.

Sensorerna testas och testas innan de skickas till fältet.

"I varje steg måste en enorm mängd tester utföras på ett sätt som så nära som möjligt simulerar den miljö våra instrument kommer att möta i brunnen. Bland annat har vi använt en ugn på Raufoss för att testa tekniken vid temperaturer upp till 450°C.

Enorm potential

I processen att utnyttja energin i det superkritiska vattnet, forskarna har utnyttjat den norska petroleumindustrins erfarenhet av att borra djupa oljekällor. Utnyttjandet av geotermisk värme har mycket gemensamt med oljeutvinning. Petroleumteknologer ingår därför i teamet. Dock, Vi har under många decennier lyckats utnyttja potentialen i petroleumresurser, ingen har ännu lyckats utnyttja superkritiskt vatten.

"Om vi ​​kan lyckas utnyttja geotermisk värme kommer det att finnas tillräckligt med den för att försörja hela jordens befolkning med energi i många generationer. Det finns kärnkraftverk där vatten som uppfyller villkoren för superkritiskt vatten matas genom turbiner, så vi vet att vi kan lyckas utnyttja energin i sådant vatten när vi har lyckats utvinna den. "

I projektets djupaste nedstigning i jorden, forskargruppen utförde mätningar på 2810 meters djup. Här nådde temperaturen 443,6 ° C.