Måleapparater til verdens mest ekstreme miljø

Norske forskere bidrager til udviklingen af ​​verdens varmeste geotermiske brønd i et ikke-vulkanisk område. Målet er at udnytte den uudtømmelige forsyning af varme fra Jordens indre, og det kræver udstyr, der kan modstå de mest ekstreme forhold.

Et internationalt forskerhold afsluttede for nylig et treårigt EU-projekt kaldet DESCRAMBLE (Drilling in deep, Super-kritisk, ambienter af det kontinentale Europa). Sammen, projektgruppen har boret en testbrønd i et geotermisk felt i Toscana i Italien. Det italienske firma Enel Green Power, en global producent af grøn energi, står i spidsen for projektet, med SINTEF som forskningspartner. Sammen forsøger de at udnytte de naturkræfter, der findes tre kilometer tættere på Jordens kerne.

Boringen er verdens varmeste geotermiske brønd i et ikke-vulkanisk område. Fordi terrestrisk varme mødes tæt på overfladen i Italien, landet er rigt på områder, der er egnede til geotermisk boring - med brændende temperaturer på 500-600 grader Celsius, resulterer i superkritisk vand, som forskerne håber at opdage. Og de har rigtig gode grunde. Hvis det kan lykkes dem at udnytte energien i dette vand, de kan bore geotermiske brønde, der er ti gange så effektive som dem, der i øjeblikket er i drift. Dette har potentiale til at reducere omkostningerne dramatisk og bane vejen for en fantastisk energifremtid baseret på rene naturressourcer. Imidlertid, i sin superkritiske fase, væsken er ætsende og angriber ethvert boreudstyr, der støder på den.

Superkritisk energibombe

"Vi står over for en masse store udfordringer, men vi er nået langt, siger Magnus Hjelstuen, Forskningsleder hos SINTEF Harsh Environment Instrumentation.

Måleudstyret SINTEF har udviklet som en del af dette projekt er et såkaldt "wireline logging tool", der kan måle temperaturer og tryk i borehullet. Sådanne målinger er afgørende i jagten på det ekstremt energirige superkritiske vand. Temperatur- og trykdata angiver, hvornår boret er kommet ind i en zone, der indeholder sådant vand, og brøndens geotermiske egenskaber (både den maksimale temperatur og temperaturændringer forårsaget af boring) vil fortælle os, hvor meget energi brønden kan producere.

Da elektriske kabler ikke fungerer ved temperaturer over 350 ° C, SINTEFs måleudstyr er batteridrevet. Temperaturen logges dybt i borehullet og aflæses, når enheden vender tilbage til overfladen.

I sin superkritiske fase, væsken er ætsende og angriber ethvert boreudstyr, der støder på den.

Dette er ikke nogen enkel opgave. På to til tre kilometer inde i Jordens indre stiger temperaturen og trykket enormt. Der sker noget helt særligt, når temperaturen når 374 grader og trykket er 218 gange lufttrykket ved overfladen. Vi møder det, vi kalder superkritisk vand. Dette vand er i en fysisk tilstand, der udvikler sig fra væske til gas – og derfra til en superkritisk fase, hvor det hverken er.

Det er denne særlige form for vand, endnu uopdaget, som forskerne leder efter. For at nå de forhold, der gør det superkritisk, vandet skal have en temperatur på mindst 374°C, under tryk på 200 bar.

"En vandsøjle ved stuetemperatur skal føres til en dybde på 2,2 kilometer under overfladen for at nå et tryk på 220 bar, " forklarer Hjelstuen.

Men når temperaturen i vandet stiger, dens tæthed falder. Det betyder, at vi skal gå endnu dybere for at passere 220 bar og opnå superkritiske forhold. Hvis vandet er forurenet med gasser og mineraler, hvilket altid er tilfældet i en geotermisk brønd, temperaturen skal stadig være højere for at vandet kan blive superkritisk.

Ekstremt udstyr

SINTEF bruger elektronik og sensorer med ekstreme muligheder. Nogle af komponenterne er i almindelig brug, mens andre stadig er på prototypestadiet. Udfordringen for de norske forskere har været at kombinere sensorerne og elektronikken, og derefter udvikle computersoftware, der gør det muligt for komponenterne at fungere sammen.

"Vores udfordring har været at finde en kombination af eksisterende komponenter, som kan fungere optimalt inden for vores begrænsninger med hensyn til instrumentlængde, vægt og diameter – ikke mindst i lyset af det miljø udstyret vil møde i brønden, siger Hjelstuen.

Instrumentet er 2,6 meter langt og vejer 50 kg, men har en diameter på kun 76 millimeter.

"For eksempel, vi bruger en mikrocontroller, som fungerer ved temperaturer op til 300°C. Denne er kun tilgængelig som en tidlig prototype (teknisk prøve). Så vi har arbejdet tæt sammen med producenten for at få det til at fungere, som vi ønsker det, "tilføjer han.

Intens tryk og temperatur

På nuværende tidspunkt grænsetemperaturen for elektronik er omkring 250°C, og det betyder, at rækken af ​​tilgængelige komponenter er meget begrænset. Antallet af passende batterier er heller ikke stort. For eksempel, de mest robuste batterier på markedet fungerer ved temperaturer på kun 70 til 200°C og ville eksplodere, hvis de udsættes for en temperatur på 215 grader. Så det kan være en udfordrende proces at lave måleudstyr.

"Siden vi begynder at bore ved normale overfladeforhold, temperaturen på en vinterdag kan være så lav som 0°C til at starte med, stiger til over 400°C i bunden af ​​en brønd. At tackle sådanne udsving stiller enorme krav til udstyret. Vi har skabt en slags "omvendt termoflaske", hvor den indvendige temperatur holdes under 210 grader for at reducere belastningen på udstyret, siger Hjelstuen.

Sensorerne afprøves og testes, før de sendes til marken.

"På hvert trin skal der udføres en enorm mængde test på en måde, der så tæt som muligt simulerer det miljø, vores instrumenter vil møde i brønden. Vi har blandt andet brugt en ovn på Raufoss til at teste teknologien ved temperaturer op til op til 450°C.

Enormt potentiale

I processen med at udnytte energien i det superkritiske vand, forskerne har gjort god brug af den norske olieindustris erfaring med at bore dybe oliebrønde. Udnyttelsen af ​​geotermisk varme har meget til fælles med olieindvinding. Petroleumsteknologer indgår derfor i teamet. Imidlertid, der henviser til, at det i mange årtier er lykkedes os at udnytte potentialet i olieressourcer, ingen har endnu formået at udnytte superkritisk vand.

"Hvis vi kan lykkes med at udnytte geotermisk varme, vil der være nok af den til at forsyne hele klodens befolkning med energi i mange generationer. Der er atomkraftværker, hvor vand, der opfylder betingelserne for superkritisk vand, tilføres gennem turbiner, og det er en stor del af jordens spænding, at vi kan bruge den til at udnytte jordvarmen." så vi ved, at det kan lykkes os at udnytte energien i sådan vand, når det først er lykkedes at udvinde den."

I projektets dybeste nedstigning til Jorden, forskerholdet udførte målinger i 2810 meters dybde. Her nåede temperaturen 443,6 ° C.