Jordvarme blir fjernvarme

Grønn energi fra jordas indre skal bli til konkurransedyktig kraft og fjernvarme.

Publisert
Kraftverk som utnytter jordvarme finnes i dag stort sett bare i vulkanske områder – som her på Island. Bildet viser det geotermiske kraftverket Krafla som ble satt i drift i 1977. (Foto: GEO / Halfdan Carstens)
Kraftverk som utnytter jordvarme finnes i dag stort sett bare i vulkanske områder – som her på Island. Bildet viser det geotermiske kraftverket Krafla som ble satt i drift i 1977. (Foto: GEO / Halfdan Carstens)

Geotermisk energi

  • Ifølge energibyrået IEA rommer de øverste kilometerne av jordskorpa varme-energi i en mengde som er to hundre millioner ganger større enn jordas årlige energiforbruk.
  • Varmen øker med økende dyp. I Norge er det vanlig at temperaturen stiger med 17 til 20o C for hver kilometer.
  • Varmen kan leveres til fjernvarmeanlegg. Bores det dypt nok, vil vannet komme opp i form av damp som kan brukes til i industrielle prosesser eller til å produsere kraft i dampturbiner. 
  • Levetida for en fem kilometer dyp brønn antas å være rundt 30 år. Etterpå er berget så nedkjølt av det kalde vannet som pumpes ned, at det ikke lenger er hensiktsmessig å hente opp varme.
  • Etter nye 20 til 30 år vil varmen ha bygd seg opp igjen, og brønnen kan igjen brukes.

Kilde: SINTEF Materialer og kjemi

Boreverktøyet

  •  
  • Nextdrill-prosjektet utvikler materialer som skal gi borekroner med lang levetid.  Prosjektet utnytter materialene tungsten-karbid og kobolt. Tungsten-karbid er hardt og skal beskytte krona mot slitasje fra friksjon. Kobolt er seigt og tar opp i seg energien fra slag.
  • Som ledd i materialutviklingen skal ulike borekroner testes gjennom småskala boringsforsøk i hardt fjell ved Ås i Akershus. Her skal borekronene kobles til en spesialversjon av en elektrisk borhammer som det norske teknologiselskapet Resonator er i gang med å utvikle.
  • Borhammeren som Resonator har under utvikling, kan skreddersys for boring etter geotermisk varme. Ifølge Svein Hestevik, daglig leder i selskapet, er en elektrifisering av boreoperasjonene en forutsetning for at dype “varme-brønner” skal bli lønnsomme.

Helt siden Jules Verne i 1864 skrev om å reise til jordas indre, har mennesker drømt om å hente opp jordvarme. Den finnes i enorme mengder, er fornybar og CO2-fri.

– Det folk har gjort til nå, er bare å pirke i jordas overflate, sier forsker Alexandre Kane.

– Varmen som flere henter fra bakken i hagen sin og foredler i varmepumper, er ikke jordvarme, men varme fra sola.

Med et kobbel av industri- og teknologiselskaper i ryggen, leder han forskningsprosjektet Nextdrill.

Deltakerne er i full gang med å utvikle boreverktøy som skal gjøre det lønnsomt å utnytte den virkelige jordvarmen.

Strenge kostnadskrav

Målet er i første omgang brønner som er fem til seks kilometer dype. Så langt nede finnes varme med en temperatur som er høy nok til at energien kan brukes til fjernvarme og kraftproduksjon.

– Vi må bore mye billigere enn oljeindustrien hvis det skal bli business av dette, uten varig behov for subsidier.

Samtidig må de trenge gjennom bergmasser som er mye hardere enn på sokkelen i Nordsjøen.

Prosjektleder Alexandre Kane fra Sintef beskuer ei borekrone som det svenske materialselskapet Sandvik har utviklet for gruvedrift. Ved framtidig kommersiell boring etter dyp jordvarme kan det bli aktuelt å bore brønner med en diameter på opptil en meter. (Foto: SINTEF / Thor Nielsen)
Prosjektleder Alexandre Kane fra Sintef beskuer ei borekrone som det svenske materialselskapet Sandvik har utviklet for gruvedrift. Ved framtidig kommersiell boring etter dyp jordvarme kan det bli aktuelt å bore brønner med en diameter på opptil en meter. (Foto: SINTEF / Thor Nielsen)

– Det kan høres umulig ut å greie begge deler på en gang. Men vi har stor tro på at det vil gå, såfremt det blir forsket videre på dette også etter at det innledende prosjektet vårt er over, sier Kane.

Høy hastighet og lang levetid

Ved alle boreoperasjoner løper taksameteret raskt. Skal varmen fra dypet bli konkurransedyktig som energikilde, må timeforbruket under boringen begrenses.

Boreoperatører som skal ha tak i denne varmen, må derfor være i stand til å bore med høy hastighet. De vil heller ikke ha råd til tidstapet som oppstår hvis borekrona til stadighet må opp i dagen for å skiftes.

I fellesskap jobber tre av deltakerne – SINTEF, det svenske selskapet Sandvik og det tyske selskapet H.C. Starck – med å utvikle materialer til ei borekrone som skal ha lang levetid.

Med i prosjektet er også det norske teknologi-selskapet Resonator. Selskapet er i gang med å utvikle en elektrisk borhammer – boreverktøy som knuser fjell med hammerliknende slag. Elektrisk drift gir muligheter for fjernstyring og mer energieffektive boresystemer enn løsninger som er basert på dagens luft- og væskedrevne borhammere.

Første test i juni

I løpet av året skal Nextdrill-prosjektet gjøre sine første småskala boreforsøk ute i naturen – nær Ås i Akershus.  Både i juni og september skal en spesiallaget versjon av Resonators borhammer prøve seg på hardt fjell.

I tur og orden vil den bli utstyrt med kommersielle borekroner og kroner i slitesterke materialer som utvikles gjennom prosjektet.

Forsøkene har to hovedformål:
• De vil gi ny kunnskap om hvordan slitasje oppstår på borekroner når fjell knuses med en borhammer.
• Testene vise hva antallet hammerslag per tidsenhet betyr for borehastigheten.   

– Under testene skal vi ikke bore dypt. Vi forventer likevel å høste informasjon som blir viktig for det videre arbeidet vårt med å få fram slitesterke materialer, sier Kane.

Geotermisk energi

Varmen som franskmannen og forskerkollegene er ute etter, kalles geotermisk energi og stammer fra to kilder under føttene våre. Rundt en tredel av varmestrømmen er restvarme fra jordas tilblivelse.

De resterende to tredelene av varmen har sitt opphav i prosesser som kontinuerlig bryter ned radioaktive stoffer i jordskorpa. Temperaturen øker kontinuerlig meter for meter nedover i dypet.

Geotermisk energi høstes ved at kaldt vann pumpes ned i en injeksjonsbrønn, og hentes opp igjen i oppvarmet stand i en produksjonsbrønn. Til venstre: I områder der jordvarme hentes opp i dag, strømmer vannet gjennom naturlige sprekker mellom brønnene og varmes opp. Til høyre: Ved framtidig boring i hardt fjell hvor det ikke er naturlige sprekker, som i Norge, er boring av "radiatorstrenger" mellom brønnene en mulighet. Et alternativ er å lage sprekker ved å utsette fjellet for høyt væsketrykk. (Foto: (Illustrasjon: SINTEF / Knut Gangåssæter))
Geotermisk energi høstes ved at kaldt vann pumpes ned i en injeksjonsbrønn, og hentes opp igjen i oppvarmet stand i en produksjonsbrønn. Til venstre: I områder der jordvarme hentes opp i dag, strømmer vannet gjennom naturlige sprekker mellom brønnene og varmes opp. Til høyre: Ved framtidig boring i hardt fjell hvor det ikke er naturlige sprekker, som i Norge, er boring av "radiatorstrenger" mellom brønnene en mulighet. Et alternativ er å lage sprekker ved å utsette fjellet for høyt væsketrykk. (Foto: (Illustrasjon: SINTEF / Knut Gangåssæter))

De må bore to typer brønner for at det skal gå an å utnytte varmen: en som pumper kaldt vann ned, og en som sender oppvarmet vann opp igjen (se illustrasjon).

Borekrona som skal gjøre jobben, må knuse harde bergarter som granitt. Hovedmålet for Nextdrill-prosjektet er å finne en kombinasjon av slitesterke og utholdende materialer pluss tekniske løsninger som er egnet til dette . 

Labforsøk og beregninger

Borekrona må tåle masse friksjon. I tillegg må den motstå ekstreme mengder juling, som en følge av de høyfrekvente hammerslagene.

– Laboratorieforsøk og virtuelle eksperimenter i datamaskinmodeller har lært oss mye om hva det vil si å bore i granitt, sier Kane.

Dette har gjort forskerne i stand til å utvikle regneverktøy som vi bruker til å finne den formen og den materialsammensetningen borekrona trenger for å bli optimal.

– Boreforsøkene på Ås vil gi oss måledata som kan forbedre dette regneverktøyet ytterligere, sier Kane.