Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU og UiO.
Denne collagen viser hvordan vann går fra å være flytende, til å bli gass – og deretter over i superkritisk fase, der det ikke er noen av delene. Det er i den superkritiske fasen at vannet blir etsende. Foto: NASA (Foto: NASA)

SUPERKRITISK VANN

– Hvis vi klarer å hente opp så mye som noen brøkdeler, vil det være nok til å forsyne hele jordkloden med energi

Norske forskere jakter superkritisk vann.

  • Forskning

Uttømmelig kilde

  • Lavtemperatur geotermisk energi, eller grunnvarme, kalles det når vi henter jordvarme 150–200 meter ned i bakken. Der er temperaturen mellom seks og åtte grader celsius. Den hentes i dag opp med varmepumper kombinert med energibrønn. Slik jordvarme hentes etter hvert opp i ganske stort omfang.
  • Geotermisk varme, eller jordvarme, har et utrolig potensial. Det er en utømmelig energikilde som er nærmest utslippsfri. Varmeenergien finnes i de ulike bergartene jorda består av, og i jordskorpa. Jo dypere ned vi kommer, jo varmere er det.
  • Rundt halvparten av varmestrømmen kommer fra den opprinnelige varmen i jordas mantel (de lagene som ligger nærmest jordskorpa) og kjerne. Den resterende halvparten har sitt opphav i radioaktivitet i jordskorpa, hvor det pågår en kontinuerlig prosess der radioaktive stoffer brytes ned og genererer varme. Varmen transporteres til jordlag som ligger høyere opp, nærmere jordas overflate.
  • Dagens oljeselskaper gjør god økonomi ut av å hente opp olje på 5 000 meters dyp. Der er temperaturen på opptil 170 grader celsius. Går man dypere enn dette, byr det på boretekniske og materialtekniske problemer. Stål blir sprøtt, og materialer som plast og elektronikk blir svekket eller smelter. Elektronikk fungerer normalt bare kort tid på temperaturer varmere enn 200 grader celsius. Disse problemene må løses for at dypgeotermisk industri skal bli regningssvarende.

Uendelige mengder energi ligger rett under føttene våre. Den er fornybar, CO2-fri og stabil. Men 2-3 kilometer ned forandres de fysiske premissene seg dramatisk: Her støter man på det som kalles superkritisk vann – en joker som gir teknologene mer enn hodebry.

Det superkritiske vannet inneholder nemlig ti ganger så mye energi som en vanlig jordvarmebrønn. Det kan bli en gullgruve.

Verdens mest energirike jordvarmebrønn

99 prosent av jordkloden har en temperatur på over 1000 grader celsius. Varmen er restvarme fra jordas opprinnelse og fra nedbrytning av radioaktive stoffer. Den kan omskapes til energi. Og det er mer enn nok av den.

– Hvis vi klarer å bore og hente opp så mye som noen brøkdeler av den jordvarmen som finnes, vil det være nok til å forsyne hele jordkloden med energi. Energi som er ren og trygg, sa Are Lund, seniorforsker ved SINTEF Materialer og kjemi til Gemini i 2010.

Fem år senere er altså SINTEF- forskere og teknologer fra hele Europa samlet til dugnad: 15,6 millioner forsknings-euro skal sørge for at verdens mest energirike jordvarmebrønn blir en realitet i Larderello, Toscana.

Enel Green Power, en global produsent av grønn energi leder prosjektet "DESCRAMBLE" (Drilling in deep, super-critical ambients of continental Europe). Målet er å få så høy effekt som mulig fra brønnen. Den ekstreme varmen dypt under Nord-Italia gjør at både trykk og temperaturer vil ligge helt i grensa for hva teknologien kan makte.  Men under disse betingelsene kan altså effekten av en slik brønn økes med ti gangen. Det bidrar til at lønnsomheten vil være svært god om prosjektet lykkes. 

Norges bidrag i EU-prosjektet blir å simulere selve boreprosessen, samt å utvikle et nytt instrument som skal overvåke brønnen, forklarer forsker og prosjektleder ved SINTEF IKT, Øyvind Stamnes.

Les også: Planlegger gigantisk deponi for farlig avfall et steinkast unna boligområde

Må temme superkritisk væske

Å realisere målet blir en utfordrende oppgave: Ingen har fra før klart å temme en brønn under så tøffe forhold: Den ekstreme temperaturen og det høye trykket gjør at utstyret som skal brukes må spesialutvikles.

– En av de store jokerne i prosjektet er det som kalles superkritisk væske, forklarer fysiker Roar Nybø i SINTEF Petroleumsforskning.

2-3 kilometer ned mot jordas indre vil temperaturen stige kraftig. Det vil også trykket. Når termometeret passerer 374 grader og trykket øker til 218 ganger lufttrykket som finnes på overflata, skjer det noe spesielt: Man støter på det som kalles superkritisk vann.

Ikke er det flytende, og ikke er det damp. Det befinner seg i en fysisk form som er begge deler, og som gir vannet helt nye egenskaper: Denne væsken oppfører seg som det var en kraftfull syre – og angriper alt fra elektronikk til boreverktøy.

– I en fantasy-serie ville nok det superkritiske vannet fått navnet dragevann, humrer Nybø, som har sin bakgrunn innenfor teoretisk partikkelfysikk. I det miljøet er funderinger over enda mer ekstreme forhold ganske dagligdags.

Men "dragevannet" har en oppside: Det klarer å transportere opp ti ganger mer energi enn vanlig vann og damp kan gjøre i en vanlig jordvarme-brønn, og flyter lettere gjennom både sprekker og porer. Klarer forskerne å temme kreftene uten at teknologien bryter sammen, kan det bli en månelanding i jordas indre.

På toppen av det hele kan det superkritiske vannet løse opp verdifulle mineraler som fraktes opp til overflata. Det kan bli en mulig bi-inntekt.

– Dragen i dypet kan altså gi slipp på flere gullskatter, sier Nybø.

Les også: Nå skal fiskerne få hjelp av droner til å finne de store stimene

Teknologioverføring er nøkkelenUtsnitt av brønnen som bores i Lordello. Doghouse/Gemini

Teknologioverføring er nøkkelen

Boreoperasjonen krever med andre ord forberedelser av det avanserte slaget. Derfor skal "månelandingen" først gjennomføres i en spesialutviklet simulator. Den er utviklet for boreoperasjoner i oljebransjen. Simulatoren har blitt til på SINTEF, og likner en flysimulator.

Nå skal den fylles med alle tilgjengelige data om den planlagte brønnen og området det skal bores i. Det gjør at forskerne kan foreta en virtuell "prøveflyving" av hele boreoperasjonen.

– Utnyttelse av jordvarme på denne måten, har mye til felles med oljeutvinning. Det finnes testbrønner for olje, som er mer enn ti kilometer dype. Det er altså god grunn til å ha norske olje-teknologer med på laget. Jordvarmen er rett og slett en unik mulighet for oljeindustrien til å utvikle seg videre. Vi har stor tro på at på at denne kunnskapen kan bli en viktig norsk eksportvare, sier Nybø, og ramser opp likhetene:

  • Å utvikle utstyr som tåler ekstreme forhold
  • Finne riktig plassering av brønnen gjennom seismikk.
  • Boring av selve brønnen
  • Å få væsken til å strømme gjennom den geologiske formasjonen.
  • Å rense brønnen for avleiringer
  • Produksjon av væsken – altså å få den opp og holde trykket i reservoaret stabilt i hele brønnens levetid.

Les også om hvordan supermaktene bruker opp atmosføren: Supermaktene bruker opp atmosfæren: Norge må ha nullutslipp i 2030

Uforutsigbare forhold

Det er ikke første gang at forskere og geologer sikter mot jordas indre for å høste av den utømmelige energien som finnes der nede.  Island har lenge utnyttet jordvarme og kraftverket Krafla har siden 1977 brukt damp fra undergrunnen til elproduksjon, og har en årlig produksjon på 480 GWh, noe som omtrent tilsvarer strømforbruket i et tettsted som Lillehammer.

Faktisk dekkes en fjerdedel av Islands energibehov av jordvarme, mens resten dekkes av vannkraft.

I 2009 satte et team fra Island boreutstyret i den vulkanske øya. Målet var å gå ned til 4000 meters dyp for å lage verdens mest effektive brønn for geovarme, og brønnen fikk det klingende navnet DDP-1. Det gikk dessverre ikke etter planen: Geologene traff lava allerede på 2000 meters dyp. Etter to år med tester og studier måtte den stenges, uten å ha produsert strøm. Men Islendingene lærte mye av forsøket, og har ikke gitt opp å vinne kappløpet om å bore verdens største jordvarmebrønn: I disse dager planlegger de en ny brønn som har fått navnet DDP-2.

Nå kan de altså bli slått av Italienerne, som er bevæpnet med norsk kompetanse fra blant annet oljeboring – og en litt mer medgjørlig geologi.

– Nå skal vi bore i en helt annen type geologisk formasjon. På Island er geologien "åpen" ned mot mantelen, mens i Italia består den av varme flekker. Dette er en geologi som finnes flere steder i Europa, og som kan åpne for effektiv utnyttelse av jordvarmen mange steder i verden, forklarer Nybø.

Les også: Nytt samarbeid skal utvikle «dårlig» biodrivstoff til skip

Forskernes spåkule

Men skal dette lykkes, må den superkritiske væsken temmes: For å best mulig forutse hvordan det superkritiske vannet vil oppføre seg både nede i brønnen og på sin ferd opp fra den, må det hele modelleres i en såkalt strømningssimulator. Det er et verktøy oljebransjen lenge har brukt for å bedre kunne forutsi hvordan olje, gass og vann beveger seg gjennom en oljeledning på dypet av havbunnen.

Gjennom år med forskning har teknologene klart å temme både korrosjon, hydratdannelser (is-lignende plugger) og ansamlinger av voks i olje-og gassrør.

Strømningsimulatoren LedaFlow gjør det mulig å analysere mer detaljerte og komplekse strømningsscenarier under såkalt flerfasetransport Det betyr at man sender olje, gass og vann i samme rør.

– Simulatoren kan visualisere bølger, væskeplugger, faseoverganger og utfelling av hydrater, og bidrar til å redusere risikoen for at disse faktorene skaper problemer for driften. Den gir også verdifull informasjon om hvor mye trykkstøtte (gass som pumpes ned) brønnen trenger for at skal gå strømlinjeformet, for å nevne noe. Nå skal den brukes til å gi bedre innsikt i hvordan det superkritiske vannet vil oppføre seg, forklarer Bjørn Tore Løvfall i SINTEF Materialer og kjemi.

Forskeren utdyper:

– Simulatoren brukes i dag av ingeniører som designer, dimensjonerer og drifter systemer for flerfasetransport langs havbunnen. Verktøyet gir brukerne muligheten til å "zoome seg inn" der de måtte ønske det langs visualiserte rørledninger – og få fram detaljerte simuleringer av strømningsforholdene på disse stedene.

Simulatoren er resultatet av ett av SINTEFs største forskningsprosjekter noensinne. Men nå skal den videreutvikles slik at vi kan forutse hvordan det superkritiske vannet vil oppføre seg. Det betyr at den må få en helt egen modul som kan forutse vannets luner; hvor langt nede i brønnen vil det endre form, hvordan vil det oppføre seg når det skal strømme opp til overflaten – med mest mulig energi som "passasjer".

Les også: Vil bruke russisk romteknologi for å få bilene til å snakke sammen

Utvikler superverktøy

Mens arbeidet med både modellering og simuleringer av den avanserte boreoperasjonen pågår, skal et annet forsker-team løse helt andre problemstillinger.

Ved SINTEF IKT sitter en forskergruppe med det klingende navnet "Harsh environment instrumentation". Her jobber Øyvind Nistad Stamnes med utviklingen av en spesiell sonde. Den skal sendes ned i brønnen for å logge og måle brønnens oppførsel.

Boreoperasjonen må overvåkes i detalj, slik at man har mest mulig kontroll om noe uforutsett skulle skje. Men hvordan skape elektronikk og sensorer som tåler opp til 450 grader og et trykk som tar knekken på det aller meste? En ting er sikkert: Slikt utstyr finnes ikke på markedet i dag.

– Vi vet at når brønnen når maks-temperatur, finnes det ikke et eneste måleinstrument som kan klare å takle det i dag. Elektronikken vil møte for høye temperaturer og kortslutte fordi lekkasjestrømmene blir for høye, sier Øyvind Nistad Stamnes.

Og løsningen på det? En kombinasjon av spesiallaget høy-temperatur elektronikk innkapslet i en slags termos. Eller på fagspråket: En Dewar flaske. Termosen må være svært isolerende ettersom måleinstrumentet skal registrere forholdene i brønnen over flere timer med 450°C på utsiden, og under 250°C på innsiden av flasken. 

– Man kan si at løsningen blir å utvikle måleinstrumenter med "romdrakt", forklarer Stamnes. Å utvikle elektronikk for høye temperaturer er ingen ny oppgave for forskerne her ved SINTEF IKT. Det har de drevet med siden 90-tallet. Men utfordringen denne gangen vil bli å sette sammen flere komponenter som alle tåler denne temperaturen. Med en viss sikkerhetsmargin i tillegg.

– For eksempel finnes det ikke kommersielle batterier som tåler mer enn 200°C, derfor samarbeider vi med batteriprodusenter som lager batterier som er trygge å benytte også over denne temperaturen, tilføyer forskeren.

I midten av mai hadde prosjektet kick-off i Pisa, Italia. Mens oppstart av selve boringen er planlagt til høsten 2016. Går alt som det skal, vil denne brønnen gi ti ganger mer effekt enn en vanlig geo-brønn når den står ferdig.

– Dette prosjektet vil øke konkurransekraften for grønn, geotermisk energi drastisk, fordi borekostnadene i slike prosjekt er på mellom 30 og 50 prosent av den totale kostnaden.

Det er ekstra spennende dager på jobben, fastslår Øyvind Stamnes. Før han rusler tilbake til laben for å fortsette arbeidet med sin "romdrakt" for sensorene som skal bidra til å gjøre det hele mulig.

Denne saken ble først publisert på gemini.no.