Denne artikkelen er produsert og finansiert av De regionale forskningsfondene - les mer.

Ny teknologi som utnytter trykkforskjell kan bli nyttig for petroleumsnæringen. (Illustrasjonsfoto: Lukasz Z / Shutterstock / NTB scanpix)
Ny teknologi som utnytter trykkforskjell kan bli nyttig for petroleumsnæringen. (Illustrasjonsfoto: Lukasz Z / Shutterstock / NTB scanpix)

Forskerne har lært seg å utnytte energien fra vanntrykket på havbunnen

Ny teknologi gjør det mulig å bruke vanntrykket på havbunnen som energikilde i operasjoner på dypt vann. Løsningen er å utnytte trykkforskjellen under vann – der det er voldsomt trykk – og et vakuumkammer med tilnærmet nulltrykk

Publisert

De som driver olje- og gassvirksomhet på dypt vann, må kunne kutte borestrenger eller lukke ventiler raskt for å hindre utblåsning. Utblåsing i denne sammenhengen er olje, vann eller gass som strømmer ut fra en petroleumsbrønn. For å hindre utblåsing trengs det mye energi på kort tid.

I dag er det komprimert gass som gjør denne jobben. Når gassen frigjøres, presses hydraulisk væske gjennom et system av rør, sylindere, pumper og slanger, slik at det nødvendige arbeidet kan gjøres.

Problemet med denne løsningen, er at den virker dårligere jo dypere man kommer.

– Metoden fungerer så lenge gassen har et høyere trykk sammenlignet med omgivelsene, men jo lenger ned i vannet vi kommer, jo høyere blir trykket i omgivelsene. Når det ikke lenger er trykkforskjell mellom gassen og omgivelsene, får vi heller ikke ut energi, sier Bao Quoc Ta, forsker ved Universitetet i Sørøst-Norge.

Lager «tomrom» og utnytter trykkforskjell

Et annet problem er at gassen blir mindre elastisk når trykket i omgivelsene blir høyt.

– Det gjør at gasstrykket faller hurtig når gassen presser hydraulikkvæsken ut, og da mister den raskt evnen til å gjøre den jobben vi vil at den skal gjøre, sier Nils Terje Ottestad.

Ottestad er fysiker og forskningsleder for OBS Technology, som har tatt patent på ny teknologi for å utløse store energimengder på kort tid på store dyp.

– Vi har laget en løsning med et vakuumkammer, et «kunstig tomrom» der det er tilnærmet nulltrykk. I stedet for å bruke gass under trykk, utnytter vi forskjellen mellom trykket i omgivelsene og nulltrykket i kammeret til å drive et stempel som presser ut hydraulikkvæsken. Og siden trykket øker med vanndybden, blir denne metoden mer effektiv jo dypere vi kommer, sier Ottestad.

«Void» er basert på at hydraulisk kraft frigjøres i en sylinder der et innvendig stempel deler av tre kamre. Vakuumkammeret er i midten. Stemplet kan forskyves, slik at kamrene kan komprimeres eller ekspanderes avhengig av trykket. Trykkforskjellen mellom det første kammeret – der væsken har samme trykk som omgivelsene – og vakuumkammeret, gjør at stempelet presser ut hydraulikkvæske fra det tredje kammeret. (Ill: OBS Technology)
«Void» er basert på at hydraulisk kraft frigjøres i en sylinder der et innvendig stempel deler av tre kamre. Vakuumkammeret er i midten. Stemplet kan forskyves, slik at kamrene kan komprimeres eller ekspanderes avhengig av trykket. Trykkforskjellen mellom det første kammeret – der væsken har samme trykk som omgivelsene – og vakuumkammeret, gjør at stempelet presser ut hydraulikkvæske fra det tredje kammeret. (Ill: OBS Technology)

«Tomrommet» Ottestad snakker om, lages ved hjelp av en pumpe. Pumpen utvider rett og slett et kammer som i utgangspunktet ikke har noe volum eller utstrekning i det hele tatt, til et tomrom med utstrekning.

Flytter grensene nedover

På 4000 meters dyp, en dybde som så langt har vært en slags naturlig grense for havbunnsinstallasjoner i olje- og gassnæringen, er trykket 400 ganger høyere enn på overflaten. Under et slikt trykk kan et vakuumkammer på mindre enn én kubikkmeter ifølge Ottestad utløse samme energimengde som store akkumulatorbatterier på 80 til 100 tonn.

– Med denne teknologien er det i teorien heller ingen grenser for hvor dypt man kan gå, slik det er når man bruker gass under trykk, sier Ottestad.

Når energien er utløst og det ikke lenger er «tomrom» i kammeret, kan pumpen på kort tid lage vakuum på nytt. Pumpen må drives av en motor, men er ifølge Ottestad lite energikrevende sammenlignet med de løsningene oljeselskapene bruker i dag.

Teknologi som ikke bruker gass under høyt trykk, gir også økt sikkerhet.

Testet i trykktank

Teknologien er så langt ikke utprøvd på havbunnen, men det er gjennomført tester i trykktank.

– Resultatene var akkurat slik vi håpet på. Innretningen leverte energi tilsvarende trykkforskjellen mellom omgivelsene og vakuumkammeret, og den frigjorde energien raskt, sier Ottestad.

Bao Ta karakteriserer «tomromsteknologien» som en helt ny tilnærming til energilagring på havbunnen.

Nils Terje Ottestad og OBS Technology har patentert teknologi som gjør det mulig utnytte vanntrykket på store dyp som energikilde i subseaoperasjoner. (Foto: OBS Technology)
Nils Terje Ottestad og OBS Technology har patentert teknologi som gjør det mulig utnytte vanntrykket på store dyp som energikilde i subseaoperasjoner. (Foto: OBS Technology)

– Foreløpige beregninger antyder at størrelsen på energipakkene kan reduseres til mindre enn en fjerdedel av det som er tilfellet med dagens teknologi. Samtidig trengs det kun ekstern energitilførsel til selve pumpen, så det blir et system som er lettere å håndtere, sier han.

Med støtte fra Oslofjordfondet har forskerne kommet langt i å kartlegge forutsetningene for å ta i bruk teknologien i reelle subseaoperasjoner. Blant annet har Bao Ta laget teoretiske modeller som viser hvilke dimensjoner systemet må ha for å levere den energien som trengs for å løse ulike oppgaver på ulike dyp.

Lavtrykk gir sjokkbølger

Bao Ta Han har også modellert en alternativ metode for å lage tomrom på store dyp, der en spesiallaget pumpe suger ut væske fra et vakuumkammer. Pumpen er basert på at det i praksis er tyngdekraften som brukes til å fjerne væske og skape tomrom i vakuumkammeret.

Bao Quoc Ta er førsteamanuensis ved Institutt for mikrosystemer på Universitetet i Sørøst-Norge. (Foto: USN)
Bao Quoc Ta er førsteamanuensis ved Institutt for mikrosystemer på Universitetet i Sørøst-Norge. (Foto: USN)

– Sammenlignet med det høye trykket som er drivkraften i konvensjonell teknologi, er tyngdekraften svak. Det kan føre til det vi kaller «lavtrykksregioner» i pumpen; rett og slett at det kommer inn for lite væske til å fylle hele pumpen med én gang. Det gjør at en del av væsken fordamper, og da dannes det bobler, sier Bao Ta.

– Når disse boblene kollapser, oppstår det lydbølger eller sjokkbølger som over tid kan gi betydelig skade på pumpen. Dette er et kjent fenomen som heter kavitasjon, og det må vi overvinne for at systemet skal kunne jobbe i høy hastighet, forklarer han.

Energi fra hydrostatisk trykk

Forskningsprosjekt i samarbeid mellom OBS Technology AS, Universitetet i Sørøst-Norge og FMC Kongsberg Subsea. Målsettingen har vært å etablere et teoretisk grunnlag for å utnytte vanntrykket på havdypet som energikilde for subseaoperasjoner, samt å patentere teknologi for formålet. Oslofjordfondet har støttet forskningen med 2,4 millioner kroner.