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: Du støter på superkritisk vann. (Illustrasjonsfoto: Shutterstock / NTB Scanpix)
Lager termometer for jordas indre
Forskere vil utnytte den utømmelige varmen fra jordas indre. Men det krever utstyr som tåler de ekstreme forholdene dypt under bakken.
DESCRAMBLE
DESCRAMBLE (Drilling in deep, super-critical, ambients of continental Europe) er et tre år langt EU-prosjekt.
Italienske Enel Green Power, en global produsent av grønn energi, er den som leder prosjektet, mens norske Sintef er forskningspartner.
I Toscana forsøker forskere å tøyle kreftene som befinner seg tre kilometer nede i dypet, mot jordas kjerne.
Brønnen de nå har boret der er verdens varmeste geotermiske brønn i et ikke-vulkansk område.
Forskerne jakter etter såkalt superkritisk vann.
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.
Superkritisk energibombe
I Italia er jordvarmen tett opptil overflaten, noe som gjør det velegnet for geotermiske brønner. Der er det ubarmhjertige temperaturer på opp mot 5-600 grader celsius, og her finnes det superkritiske vannet som forskerne jakter på.
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: Du støter på superkritisk vann. 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.
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 kilometer for å komme opp i 220 bar, forklarer forskeren.
Men når temperaturen på vannet stiger, synker tettheten på vannet. Dette betyr at man 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.
Ingen har lyktes å få tak på dette spesielle vannet før fordi i den superkritiske fasen blir væsken etsende og angriper alt boreutstyr som kommer i dens vei.
Det forsøker forskerne ved Sintef å finne en løsning på.
– 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.
Sintef har utviklet måleutstyr 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 utstyret batteridrevet. I dypet logger utstyret temperaturen som blir avlest når det returnerer til overflaten.
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 jobbe 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.
Instrumentet er hele 2,6 meter langt, men bare 76 millimeter 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. 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 oljeteknologer 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. 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 kilometer, 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.
– 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. Vi håper vårt bidrag kan skape en energirevolusjon, sier Hjelstuen.
Artikkelen er oppdatert 05.04.18, kl. 12:40.
