Om geothermische reservoirs aan te boren, boorgaten moeten diep in de aardkorst worden geboord. Door de extreme drukken en temperaturen die ermee gepaard gaan, dit is duur en tijdrovend. Een onderzoeksteam van Fraunhofer IEG heeft nu een testopstelling ontwikkeld die de omstandigheden in het boorgat op enkele duizenden meters onder het aardoppervlak simuleert. Door deze experimenten te analyseren, kunnen operators het boren optimaliseren tijdens de planning en de operationele fase en kunnen ze nieuwe boorgereedschappen ontwikkelen en testen, waardoor kosten en economische risico's worden geminimaliseerd. Hierdoor wordt geothermie efficiënter, helpen de overgang naar een nieuwe, duurzame energie-economie.

Nu het tijdperk van de steenkoolproductie ten einde loopt, geothermische energie krijgt steeds meer aandacht als de volgende belangrijkste bron om vrijwel onuitputtelijke hoeveelheden energie te leveren. Het kan worden geëxploiteerd in de vorm van warmte of worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, ongeacht de weersomstandigheden of het tijdstip van de dag. Diepe geothermische engineering omvat het boren van boorgaten tot een diepte van enkele duizenden meters onder het aardoppervlak, waar de temperatuur 100 graden Celsius kan bereiken. Het boorproces kan meerdere soorten gesteente tegenkomen, elk met verschillende eigenschappen zoals hardheid, sterkte en dichtheid. Elk type gesteente kan een heel andere interactie hebben met het boorgat en de uitrusting. Gezien al deze factoren, het volledige boorproces en de vereisten voor oppervlakteapparatuur, zoals pompen, zijn complexe procedures die een zorgvuldige planning vereisen.

i.BOGS simuleert extreme reservoiromstandigheden

Als antwoord op deze uitdaging, het Fraunhofer onderzoeksinstituut voor energie-infrastructuren en geothermische systemen IEG, een nieuwe testopstelling heeft ontwikkeld en in gebruik heeft, genaamd match.BOGS. Dit is ontworpen om in situ omstandigheden te simuleren tijdens boor- en booroperaties. De testopstelling bestaat uit drie hoofdmodules:i.BOGS, een autoclaafsysteem; boor.BOGS, een boormodule; en vloeistof.BOGS, een module om synthetische vloeistoffen te produceren. match.BOGS kan worden gebruikt om alle processen die betrokken zijn bij het boren van een boorgat tot een diepte van 5000 meter fysiek te simuleren en te onderzoeken. Het monitoringsysteem is voorzien van een reeks sensoren, waaronder akoestische, thermische en optische meetsystemen.

Analyse van de gegevens van het monitoringsysteem biedt inzicht in de opzet en optimalisatie van de werking van boorgereedschappen. "Dit maakt het gemakkelijker om booroperaties te plannen en te bepalen, vooraf, parameters zoals het type boorgereedschap, boorprocesparameters en vereiste drukken, " legt Volker Wittig uit, hoofd van Advanced Drilling Technologies bij Fraunhofer IEG.

Het i.BOGS-autoclaafsysteem is exclusief voor het Fraunhofer IEG-onderzoeksteam ontwikkeld en gebouwd volgens de precieze specificaties. Het kan gesteentemonsters verwerken tot een lengte van 3 meter en een diameter tot 25 centimeter. Het drukvat in het autoclaafsysteem onderwerpt deze monsters aan drukken tot 1250 bar en temperaturen tot 180 graden Celsius. Dit simuleert de omstandigheden in het boorgat die gelijkwaardig zijn aan die op een diepte van 5000 meter onder het aardoppervlak. Het drukvat heeft een wanddikte van 20 centimeter en wordt vastgezet met in totaal 25 bouten, elk met een gewicht van 9 kilogram. Zo is de testbank bestand tegen extreme omstandigheden. Er kunnen ook speciale boorgatgereedschappen of pompen worden ingebouwd om specifieke eisen te testen.

Boorgereedschap met laser en hoogspanningspulsen

De drill.BOGS-module is voorzien van twee hydraulische cilinders die een voedingskracht leveren tot 400 kilonewton (kN). Een elektromotor drijft de boorstang in het gesteentemonster met koppelwaarden tot 12 kilonewtonmeter (kNm). Geïntegreerde meet- en procesbesturingstechnologieën maken dit proces volledig automatisch.

Deze module kan worden uitgerust met een verscheidenheid aan boorgereedschappen, zodat de onderzoekers van Fraunhofer IEG niet alleen conventionele gereedschappen kunnen testen, die werken door middel van mechanische steendesintegratie, maar ook nieuwe boortechnologieën. Nieuwe technologieën kunnen gebruik maken van, als voorbeeld, uitbarstingen van hoogspanning, een laserstraal of een vlamstraal om gemakkelijker in het rotsoppervlak te dringen. "Deze contactloze boortechnologieën resulteren in een aanzienlijke vermindering van hoge slijtagepercentages op dure boorgereedschappen, waardoor hun levensduur wordt verlengd, " legt Wittig uit. Als zodanig, de tests die bij Fraunhofer IEG zijn uitgevoerd, dragen ook bij aan de ontwikkeling van conventionele en nieuwe boorgereedschappen.

Synthetische vloeistoffen helpen het boorproces

Om geothermische energie te benutten, warm water uit ondergrondse reservoirs wordt via een gesloten circuit naar de oppervlakte gepompt, waar het wordt gebruikt om warmte te produceren of om stoomturbines aan te drijven om elektriciteit op te wekken. De afgekoelde vloeistof wordt vervolgens teruggevoerd naar het ondergrondse reservoir om de reservoirrotsen opnieuw op te warmen. "Daarom hebben we ook tests nodig om het gedrag van vloeistoffen in reservoiromstandigheden te simuleren terwijl ze naar de oppervlakte worden gepompt, " zegt Tilman Cremer, research fellow bij Fraunhofer IEG. Naast dergelijke geothermische toepassingen, het kan ook mogelijk zijn om waardevolle grondstoffen zoals metalen, zware metalen, en zeldzame mineralen uit deze geovloeistoffen.

De module fluid.BOGS produceert deze synthetische vloeistoffen. Onderzoekers gebruiken vervolgens de i.BOGS-module om hun stromingseigenschappen te onderzoeken terwijl ze interageren met de gesteentemonsters. Experts van Fraunhofer IEG kunnen daarom ofwel echte vloeistofmonsters uit specifieke reservoirs of geovloeistoffen bestuderen, die synthetisch zijn gemaakt. Deze kunnen bestaan ​​uit een nauwkeurig berekend mengsel van water met, bijvoorbeeld, chloor, calcium, magnesium en diverse andere mineralen in de autoclaaf van de i.BOGS-module. Bijgevolg, deze vloeistoffen kunnen vervolgens worden onderzocht op hun stromingseigenschappen.

Als het gaat om daadwerkelijke booroperaties, speciale vloeistoffen die bekend staan ​​als boorspoelingen spelen een onmisbare rol. "Deze vloeistoffen smeren, spoel en koel de boorgereedschappen, en ze voeren ook het gesteente weg dat tijdens het boren is verwijderd, ’ legt Wittig uit.

De combinatie van de drie modules i.BOGS, boor.BOGS en vloeistof.BOGS, en al hun verschillende configuraties, maak van de match.BOGS testopstelling een unieke faciliteit. Als Jascha Börner, teamlid en research fellow bij Fraunhofer IEG, legt uit:"We kunnen elk van de verschillende parameters afzonderlijk instellen:druk, temperatuur, stroomsnelheid, de samenstelling van het gesteentemonster, en de mengverhouding van de vloeistoffen." Zo is het mogelijk om de meest uiteenlopende omstandigheden te simuleren en nauwkeurige planningsgegevens te produceren voor echte boorprojecten.

Een boost voor geothermie

Voorbereiding op het testen in de nieuwe faciliteit is een ingewikkeld proces. Allereerst, de autoclaafsystemen moeten zijn uitgerust met gesteentemonsters. Druk en temperatuur worden dan achtereenvolgens verhoogd. Ondertussen, de boorgereedschappen worden opgesteld en de benodigde vloeistoffen voorbereid. Als vuistregel, het duurt bijna een hele dag om de start van de simulatie voor te bereiden. De inspanning is de moeite waard omdat het een hele reeks voordelen oplevert voor de vooruitgang van de boorindustrie. Door simulatietechnieken te gebruiken om de werkelijke omstandigheden op een specifieke locatie te testen, booroperators kunnen met meer vertrouwen de daadwerkelijke booroperaties plannen. Dit verhoogt de efficiëntie van de operatie, aangezien alle boorgereedschappen vooraf goed kunnen worden ingesteld, resulterend in een besparing van miljoenen euro's. Deze maatregelen ter optimalisatie van geothermie helpen om de transitie naar een duurzame energiehuishouding zuiniger en efficiënter te maken.