I Larderello i Toscana har man laget strøm av jordvarme siden 1913. Det er her forskere og teknologer nå håper å bore verdens mest energirike jordvarmebrønn. (Foto: Science Photo Library)
I Larderello i Toscana har man laget strøm av jordvarme siden 1913. Det er her forskere og teknologer nå håper å bore verdens mest energirike jordvarmebrønn. (Foto: Science Photo Library)

Skal sette verdensrekord i jordvarme

I Italia er forskere og teknologer i ferd med å bryte en geologisk barriere. De borer seg ned til det som kalles superkritisk vann. Lykkes de, blir dette en månelanding i jordas indre.

Publisert

Utømmelig 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. 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 5000 meters dyp. Der er temperaturen på opptil 170 grader. 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.

Demokratisk kilde

Noe av det enestående med geotermisk varme er at den finnes over hele verden. Alle kan utnytte denne energikilden som er stabil og uavhengig av vær og vind på jordoverflaten.

Hvor langt ned man må i jordlagene for å få fatt i ønsket temperatur, varierer fra land til land. Dette er fordi jordskorpa varierer i tykkelse. Den geotermiske gradienten, som det kalles, varierer. På våre breddegrader øker temperaturen med rundt 20 grader per kilometer innover i jordskorpa. I andre deler av verden er det 40 grader per kilometer. Snittet ligger rundt 25.

De landene som i dag er ledende på produksjon av strøm fra geotermisk energi, er USA, Filippinene, Mexico, Indonesia og Italia. Island kommer på en åttendeplass.

Om prosjektet

DESCRAMBLE (Drilling in deep, super-critical ambients of continental Europe)

Prosjektet har som mål å tidoble effekten sammenliknet med dagens jordvarmebrønner.

Deltakerland: Italia, Tyskland, Norge.

De norske forskningspartnerne er SINTEF IKT i Oslo, og SINTEF Petroleumsforskning i Trondheim og Bergen.

Koordinator: Enel Green Power fra Italia, representert ved Ruggero Bertani.

Varighet: 36 måneder fra kick-off i mai 2015.

Totalt budsjett: 16 615 957 euro, finansiert gjennom EUs forsknings- og innovasjonsprogram «Horizon 2020».

Uendelige mengder energi ligger rett under føttene våre. Den er fornybar, CO2-fri og stabil. Men to–tre 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 suprekritiske 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. 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 seniorforsker Are Lund 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.

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 ganges med ti. Det bidrar til at lønnsomheten vil være svært god om prosjektet lykkes. 

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

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.

To–tre 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 overflaten, 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 en kraftfull syre – og angriper alt fra elektronikk til boreverktøy.

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

Men «dragevannet» har en positiv side. Det klarer å transportere opptil ti ganger mer energi enn vanlig vann og damp kan gjøre i en vanlig jordvarmebrønn, og det 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 overflaten. Det kan bli en mulig biinntekt.

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

Superkritisk vann i ulike faser. (Foto: Nasa)
Superkritisk vann i ulike faser. (Foto: Nasa)

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, og ligner 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. Jordvarmen er rett og slett en unik mulighet for oljeindustrien til å utvikle seg videre, sier Nybø.

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. Kraftverket Krafla har siden 1977 brukt damp fra undergrunnen til strømproduksjon og har en årlig produksjon på 480 gigawattimer. Det tilsvarer omtrent strømforbruket i en by som Lillehammer.

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

I 2009 satte en gruppe 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 den i Italia består 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.

Forskernes spåkule

Skal dette lykkes, må den superkritiske væsken temmes. For best mulig å 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 (islignende plugger) og ansamlinger av voks i olje- og gassrør.

Strømningsimulatoren 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. Den bidrar også til å redusere risikoen for at disse faktorene skaper problemer for driften. Den gir i tillegg verdifull informasjon om hvor mye gass som må pumpes ned.

– 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.

Simulatoren brukes i dag av ingeniører, men nå skal den videreutvikles slik at den 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 det vil endre form og hvordan det vil oppføre seg når det skal strømme opp til overflaten – med mest mulig energi som «passasjer», sier Løvfall.

Utvikler superverktøy

Klikk på bildet for større versjon. (Foto: (Illustrasjon: Doghouse))
Klikk på bildet for større versjon. (Foto: (Illustrasjon: Doghouse))

Mens arbeidet med både modellering og simuleringer av den avanserte boreoperasjonen pågår, skal en annen forskergruppe løse helt andre problemstillinger.

Øyvind Nistad Stamnes ved Sintef IKT jobber 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 maksimal 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 Stamnes.

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

– Man kan si at løsningen blir å utvikle måleinstrumenter med «romdrakt», forklarer Stamnes.

Å utvikle elektronikk for høye temperaturer har Sintef-forskerne drevet med siden 1990-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 batterier i salg som tåler mer enn 200 grader, derfor samarbeider vi med batteriprodusenter som lager batterier som er trygge å benytte også over denne temperaturen, tilføyer forskeren.

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 geobrønn når den står ferdig.

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