Brønnen kan være starten på en ny æra innen geotermisk energi

Geotermisk energi er en svært gammel fornybar varmekilde. På Island og i andre land hvor jordvarmen har ligget nær overflaten har det vært naturlig å bruke den termiske energien i århundrer. I mange av disse landene har det de siste hundre årene også vært boret brønner for å hente ut enda varmere vann.

De siste årene har andre fornybare energikilder, som sol og vind, hatt en fantastisk utvikling. Det har ikke skjedd med geovarme. Problemet har vært at det ikke har vært noe prisfall i denne sektoren. Dessuten er rundt halvparten av kostnadene forbundet med selve brønnene. Det trengs mange brønner for å drive et geotermisk kraftverk. Det er dyrt og krever mye infrastruktur som opptar store arealer.

I tillegg har investeringene vært usikker. Metodene for å lokalisere gode plasseringer av bønnene slik at det er varmt nok i brønnen og at det er god sirkulasjon av vann der nede har vært for usikre. Det blir litt som å bore tørre hull i oljeindustrien. Det er dyrt og en slik risiko skal vurderes opp mot den sikkerheten man får når det bygges sol- og vindkraft.

Fordelen med geotermisk energi er at det gir en såkalt baselast. Energien kommer døgnet rundt uavhengig av forhold som at det må blåse eller være solskinn. På den måten minner energiformen litt om vannkraft fra magasiner med vann i fjellet som vi har.

I Italia, som var først ute til å produsere strøm fra geotermisk varme, produserer det rundt 6 TWh geotermisk energi som utgjør litt over to prosent av energiforbruket. Det er bare en fjerdedel av den energien italienerne produserer fra solkraft, men de ønsker å øke den geotermiske andelen.

Superkritisk

I EU-prosjektet Descramble - drilling in deep super-critical ambient of continental Europe, er målet å øke bruken av termisk energi ved å bore brønner ned til vann som er i såkalt superkritisk fase. Det vil si at vannet er så varmt og har så høyt trykk og så høy temperatur at grensen mellom væske og gass ikke er til stede. For rent vann snakker vi om mer enn 220 bar og mer enn 374 grader Celsius.

Superkritisk teknologi kan brukes til mange ting, men her er poenget at det superkritiske vannet inneholder ti ganger mer termisk energi enn om det ikke hadde vært superkritisk ved dette trykket og temperaturen.

Da er fordelen åpenbar. Man klarer å utvinne den samme energien med langt færre brønner og det har både et økonomiske og miljømessige fordeler. En geotermisk brønn med superkritisk energi er nok til å drive ett geotermisk kraftverk der det i dag brukes 5-10 brønner. Om dette går som man håper EU det kan øke produksjonen av geotermisk energi betydelig.

• Les også: Her borer de Norges dypeste energibrønn

Ukjent område

Descramble-prosjektet beveger seg inn i ukjent område. Ikke det at man ikke har boret ned til slike trykk og temperaturforhold før, men her er poenget å utvikle sikre metoder for å bore og utnytte brønnene som skal operere i tiår. De vil også sørge for at den finansielle risikoen går ned og at teknologien blir så mye billigere man håper på.

En viktig teknologi er å benytte seismikk for å avdekke forholdene flere tusen meter ned under bakken og finne superkritiske grunnvannsbassenger.

En annen utfordring er at vannet må bringes opp i superkritisk fase og så drive en turbin. Her holder det ikke med vanlige materialer, derfor ønsker man å bruke turbinteknologi fra kjernekraftindustrien. De driver sine med superkritisk vann.

Mange delprosjekter

Prosjektet er delt opp i mange faser og i påsken skal man avholde en konferanse i Piza, Italia. Et av delprosjektene er utført av Sintef. De har fått ansvar for å måle trykk og temperatur i brønnen som er boret i Larderello i Toscana. Det er ingen enkel sak. Elektronikk liker hverken slike trykk, eller temperaturer. Men dette er ikke nytt i Norge. Sintef har senket sensorer ned i oljebrønner siden 80-tallet.

• Debatt: «Grunnvann som energikilde har ingen CO2-utslipp, likevel er det lite brukt i Norge»

Ekstreme betingelser

På tross av erfaringen har Sintef aldri jobbet med slike betingelser, selv om de har målt på opptil 5000 meters dyp på Oseberg var temperaturen bare 165 grader. Så her måtte de tenke videre.

Seismikken hadde avdekket en såkalt caprock av en hard ugjennomtrengelig bergart på 2700 meters dyp. Dit ned har de boret og sjekket betingelsene. EU-prosjektet planla også å bore gjennom caprock-en for å sjekke forholdene på andre siden av denne. Men på grunn av ekstrem varme allerede fra 2800 meters dybde valgte prosjektet å stoppe over den harde bergarten.

Det vanlige er å bruke en bariumholdig mud, eller leirsuppe, for å holde trykket nede i brønnen, men i denne brønnen var det forventet at de ville bore inn i en høytrykksone når de passerte cap-rocken, noe som er svært uvanlig i geotermisk sammenheng. Dette ville øke risikoen for en utblåsning og prosjektet benyttet en såkalt MPD (managed pressure drilling), hvor en ventil på overflaten holder på trykket. MPD er en vanlig brukt teknologi innen olje- og gassboring, men dette er første gangen man bruker denne teknologien innen geotermisk boring.

• Statoil: Borer verdens varmeste brønn på 5000 meters dyp

Måleverktøy

Sintefs løsning var å bygge elektronikken og sensorene inn i en slags dykkerklokke i form av et 2,6 meter langt rør med tre tommer som største diameter. En slags russisk dukke, en matrjosjka, som inneholdt ytterligere to rør til på innsiden.

– Det ytre røret er et solid rør i stål for å beskytte instrumentene mot det enorme trykket. Inne i det har vi bygget et slags termosrør. Et varmeskjold bestående av to sammensveisede rør med et ekstremt vakuum i mellomrommet på litt over 5 mm. Det skulle holde en temperatur på over 400 grader ute slik at temperaturen inni ikke økte over 200 grader. Termoskjoldet beskytter godt mot varmeledning, men vi måtte i tillegg ha flere lag med nikkelfolie inne i denne spalten for å redusere varmestrålingen, sier forskningsleder i Sintef Digitals avdeling for smarte sensorsystemer som jobber med sensorer for ekstreme omgivelser, Magnus Hjelstuen.

Men selv det var ikke nok. Selv det avanserte termoskjoldet kunne ikke hindre en varmeflux inn i kjerne. Derfor ble elektronikken, sensorene og batteriene montert i en utfrest kobberstang.

– Kobber har stor varmekapasitet og tar opp varmen som strømmer inn, slik at oppvarmingen går så sakte som mulig. Alt dette har gjort at måleverktøyet tåler en temperatur på 450 grader i seks timer før det må trekkes ut. Vi kan ikke ha mer enn 200 grader inne i kjernen før litiumbatteriene eksploderer ved 215 grader. Elektronikken tåler ti grader til, og mikrokontrolleren virker faktisk helt opp til 300 grader, sier han.

Selv om trykksensoren er trygt plassert inne i røret har den en forbindelse til fronten av instrumentet gjennom et tynt rør. Temperatursensoren er en tøffere sak som tåler de høye temperaturene og er montert på forsiden med en elektrisk forbindelse til loggeutstyret inne i kjernen.

• Norges mest energieffektive svømmehall: 15 energibrønner og 650 kvm solceller

Testing

En test av Sintefs instrument viste at det var bedre enn det beste kommersielle elektroniske geotermiske loggeverktøyet som fantes. Begge verktøyene viste identiske måleverdier, men Sintefs utstyr tålte å være lenger nede i brønnen fordi den innvendige temperaturen ikke stiger så raskt.

– Vi har gjort to målinger i brønnen i Italia. Den første var på 2610 meter hvor vi målte 373 grader og 219 bar, altså nesten superkritisk tilstand. Så boret de ned til toppen av cap-rocken og der måle vi 443 grader og vi beregnet trykket til 235 bar, siden vi bare målte i 5 minutter på det dypet. Trykket her er lavere enn om det var en ren vannsøyle fordi tettheten til vannet synker med økende temperatur. Opp til superkritisk temperatur synker tettheten til 0.5 kg/l. Over superkritisk temperatur synker tettheten kraftig igjen og ved 450 grader og 250 bar er tettheten nede i 0.1kg/l. Dette er en egenskap som er nødvendig for å bringe superkritisk vann opp til overflaten og fram til turbinen under høyt trykk, sier Hjelstuen.

• Les også: Dette er de fem viktigste fornybar-trendene i 2018 (TU Ekstra)

Skal utvikle superkritisk teknologi

Med målingene Sintef har gjort har Descramble-prosjektet kommet gjennom første fase. Det skal mer til for å bringe den geotermiske energiforsyningen inn i en ny superkritisk fase.

EU skal sammen med geotermiske energiselskaper i Italia og Island fortsette utviklingen mot superkritisk geotermisk energi. Sammen skal de utvikle teknologi for å lokalisere områder hvor de kan bore, finne de riktige trykk- og temperaturforholdene, og være sikre på at bergartene der nede har god nok tilstrømming av grunnvann. Samtidig skal de også utvikle turbinteknologien for å håndtere det superkritiske vannet som kommer opp, og som kan være forurenset av hydrogensulfid og andre korrosive gasser.

– Vi har søkt om å bli med videre og tror vi har svært gode muligheter for å være med på dette som kan bli nok en fornybar energiform som tar av, sier Hjelstuen.

De skal også jobbe med støtte fra Forskningsrådets EnergiX-program og å ta fem en ny kjøleteknologi. Poenget er å ta frem en teknologi som kan kjøle ned kobberkjernen kraftig før måleverktøyet senkes ned i brannen. Klarer de det kan de måle mye lenger.

• Brynseng skole: Selv i den hardeste vinteren på lenge produserer solcellene nesten all strømmen skolen trenger (TU Ekstra)