Noorse onderzoekers dragen bij aan de ontwikkeling van 's werelds heetste geothermische bron in een niet-vulkanisch gebied. Het doel is om de onuitputtelijke toevoer van warmte uit het binnenste van de aarde te benutten, en dat vraagt ​​om apparatuur die bestand is tegen de meest extreme omstandigheden.

Een internationaal onderzoeksteam voltooide onlangs een driejarig EU-project genaamd DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Superkritisch, AMbients van continentaal Europa). Samen, het projectteam heeft een proefput geboord in een geothermisch veld in Toscane in Italië. Het Italiaanse bedrijf Enel Green Power, een wereldwijde producent van groene energie, leidt het project, met SINTEF als onderzoekspartner. Samen proberen ze de natuurlijke krachten te benutten die zich drie kilometer dichter bij de kern van de aarde bevinden.

Het boorgat is 's werelds heetste geothermische bron in een niet-vulkanisch gebied. Omdat aardwarmte dicht bij de oppervlakte in Italië wordt aangetroffen, het land is rijk aan gebieden die geschikt zijn voor geothermische boringen - met brandende temperaturen die oplopen tot 500-600 graden Celsius, resulterend in superkritisch water dat de onderzoekers hopen te ontdekken. En ze hebben hele goede redenen. Als ze erin slagen de energie in dit water te benutten, ze kunnen geothermische putten boren die tien keer zo effectief zijn als de huidige. Dit heeft het potentieel om de kosten drastisch te verlagen en de weg vrij te maken voor een fantastische energietoekomst op basis van puur natuurlijke hulpbronnen. Echter, in zijn superkritische fase, de vloeistof is bijtend en tast alle boorapparatuur aan die ermee in aanraking komt.

Superkritische energiebom

"We staan ​​voor grote uitdagingen, maar we hebben een lange weg afgelegd, " zegt Magnus Hjelstuen, Onderzoeksmanager bij SINTEF Harsh Environment Instrumentation.

De meetapparatuur die SINTEF in het kader van dit project heeft ontwikkeld, is een zogenaamde "wireline logging tool" die temperaturen en drukken in het boorgat kan meten. Dergelijke metingen zijn cruciaal in de zoektocht naar het extreem energierijke superkritische water. Temperatuur- en drukgegevens geven aan wanneer de boor een zone is binnengegaan die dergelijk water bevat, en de geothermische eigenschappen van de put (zowel de maximale temperatuur als de temperatuurveranderingen veroorzaakt door het boren) zullen ons vertellen hoeveel energie de put kan produceren.

Aangezien elektrische kabels niet werken bij temperaturen boven 350°C, De meetapparatuur van SINTEF werkt op batterijen. De temperatuur wordt diep in het boorgat geregistreerd en wordt afgelezen wanneer het apparaat terugkeert naar de oppervlakte.

In zijn superkritische fase, de vloeistof is bijtend en tast alle boorapparatuur aan die ermee in aanraking komt.

Dit is geen eenvoudige taak. Op twee tot drie kilometer in het binnenste van de aarde stijgen de temperatuur en de druk enorm. Er gebeurt iets heel bijzonders als de temperatuur 374 graden bereikt en de druk 218 keer de luchtdruk aan het oppervlak is. We komen in aanraking met wat we superkritisch water noemen. Dit water bevindt zich in een fysieke toestand die overgaat van vloeibaar in gas - en van daaruit in een superkritische fase, waarin het geen van beide is.

Het is deze speciale vorm van water, nog niet ontdekt, waar de onderzoekers naar op zoek zijn. Om de voorwaarden te bereiken die het superkritisch maken, het water moet een temperatuur hebben van minimaal 374°C, onder een druk van 200 bar.

"Een waterkolom op kamertemperatuur moet tot een diepte van 2,2 kilometer onder het oppervlak worden gebracht om een ​​druk van 220 bar te bereiken. " legt Hjelstuen uit.

Maar als de temperatuur van het water stijgt, zijn dichtheid daalt. Dit betekent dat we nog dieper moeten gaan om 220 bar te passeren en superkritische omstandigheden te bereiken. Als het water verontreinigd is met gassen en mineralen, wat altijd het geval is in een geothermische put, de temperatuur moet nog hoger zijn om het water superkritisch te laten worden.

Extreme uitrusting

SINTEF gebruikt elektronica en sensoren met extreme mogelijkheden. Sommige componenten worden algemeen gebruikt, terwijl anderen zich nog in de prototypefase bevinden. De uitdaging voor de Noorse onderzoekers was om de sensoren en elektronica te combineren, en vervolgens computersoftware te ontwikkelen waarmee de componenten samen kunnen functioneren.

"Onze uitdaging was om een ​​combinatie van bestaande componenten te vinden die optimaal kan presteren binnen onze beperkingen in termen van instrumentlengte, gewicht en diameter – niet in het minst gezien de omgeving die de apparatuur in de put zal tegenkomen, ’ zegt Hjelstuen.

Het instrument is 2,6 meter lang en weegt 50 kilogram, maar heeft een diameter van slechts 76 millimeter.

"Bijvoorbeeld, we gebruiken een microcontroller die functioneert bij temperaturen tot 300°C. Dit is alleen beschikbaar als een vroeg prototype (engineering sample). Dus we hebben nauw samengewerkt met de fabrikant om het te laten functioneren zoals we dat willen, " hij voegt toe.

Intense druk en temperatuur

Momenteel, de grenstemperatuur voor elektronica ligt rond de 250°C, en dit betekent dat het scala aan beschikbare componenten zeer beperkt is. Het aantal geschikte batterijen is ook niet groot. Bijvoorbeeld, de meest robuuste batterijen op de markt werken bij temperaturen van slechts 70 tot 200°C en zouden ontploffen bij een temperatuur van 215 graden. Het maken van meetapparatuur kan dus een uitdagend proces zijn.

"Sinds we beginnen met boren onder normale oppervlakteomstandigheden, de temperatuur op een winterdag kan in het begin zo laag zijn als 0°C, op de bodem van een put tot meer dan 400°C stijgen. Het opvangen van dergelijke fluctuaties stelt enorme eisen aan de apparatuur. We hebben een soort "omgekeerde thermosfles" gemaakt waarin de binnentemperatuur onder de 210 graden wordt gehouden om de belasting van de apparatuur te verminderen, ’ zegt Hjelstuen.

De sensoren worden uitgeprobeerd en getest voordat ze naar het veld worden verscheept.

"In elke fase moet enorm veel getest worden op een manier die de omgeving die onze instrumenten in de put zullen tegenkomen zo goed mogelijk nabootst. We hebben onder andere een oven bij Raufoss gebruikt om de technologie te testen bij temperaturen tot 450 °C.

Enorm potentieel

Tijdens het benutten van de energie in het superkritische water, de onderzoekers hebben goed gebruik gemaakt van de ervaring van de Noorse petroleumindustrie bij het boren van diepe oliebronnen. De exploitatie van aardwarmte heeft veel gemeen met oliewinning. Petroleumtechnologen worden dan ook in het team opgenomen. Echter, overwegende dat we er al tientallen jaren in zijn geslaagd het potentieel van aardoliebronnen te benutten, nog niemand is erin geslaagd om superkritisch water te benutten.

“Als we erin slagen aardwarmte te benutten, is er genoeg van om de hele wereldbevolking voor vele generaties van energie te voorzien. Er zijn kerncentrales waar water dat voldoet aan de voorwaarden voor superkritisch water via turbines wordt gevoed, dus we weten dat we erin kunnen slagen de energie in dergelijk water te benutten als we het eenmaal hebben gewonnen."

In de diepste afdaling van het project in de aarde, het onderzoeksteam voerde metingen uit op een diepte van 2810 meter. Hier bereikte de temperatuur 443,6°C.