Vi er et steg nærmere verdensrekord i jordvarme

– Om vi klarer å hente ut bare en liten del av jordvarmen som finnes, vil det være nok til å forsyne hele jorda med energi. Energi som er ren og trygg, sier SINTEF-forsker Hieu Nguyen Hoang.

Et av landene som i dag bruker geotermisk varme som en viktig del av energisystemet, er Island. Med sin vulkanske aktivitet, ligger forholdene godt til rette for å hente ut jordvarme her. Island er det landet i verden med størst andel av sin elektrisitetsproduksjon fra geotermisk energi.

Men forskere og teknologer mener potensialet er stort for andre deler av verden også. Aller størst er potensialet dersom vi lykkes med å hente ut jordvarme som befinner seg så nær den flytende mantelen som mulig.  

– For hver kilometer man beveger seg innover mot jordas kjerne stiger temperaturen. I den innerste del av kjernen når den 5 000 grader celsius, sier forskeren og prosjektlederen i SINTEF. Nå er de ett skritt nærmere det brennhete målet.

SINTEF-forsker Hieu Nguyen Hoang under arbeid med jordvarmebrønnen på Island. Foto: SINTEF VIS MER

Henter erfaringer fra oljebransjen

Sammen med forskere fra flere land, samt norske Equinor har han og kollegene utviklet brønnteknologi som skal tåle den ekstreme varmen, slik at vi kan dra nytte av den på landjorda. Prosjektet har navnet HotCase.

– En forutsetning for å få varmen opp fra dypet er at  vannet nede i selve reservoaret kan flømme inn i brønnen og opp til overflaten. Derfor jobber vi i formasjoner som er relativt porøse, og som har nok naturlige sprekker til at vannet kan bevege seg i formasjonen, forklarer Sturla Sæther i Equinor.

I prosjektet har målet vært  å lage et brønndesign som kan tåle både de høye temperaturene og geologiske formasjoner som er porøse – og derfor kan bevege seg. Det har forskerteamet klart. Teknologioverføring fra oljebransjen til geotermisk industri har vært en viktig forutsetning for å lykkes.

– Om denne konstruksjonen ikke tåler de tøffe omgivelsene, kan flere ting skje: Utstyret kan korrodere, det kan utsettes for hydrogendrevet prosess som spiser opp stålet og svekker styrken i casingen. I verste fall kan hele brønnen kollapse.

– Den islandske brønnen IDDP 2 (Iceland Deep Drilling Project – 2) blir brukt for å samle inn data som danner grunnlag for viktige beregninger i Hot Case, sier Sturla Sæther som også har vært sentral i IDDP-2 prosjektet på Island. Her har målet vært å finnet ut mer om produktiviteten til dype og ekstremt varme geotermiske reservoar.

• Les også denne saken om jordvarme: Gjør fornybar energi mulig i utviklingsland

Men HotCase kan også bidra i arbeidet med å gi oss trygg lagring av CO₂ i undergrunnen, såkalt CCS (Carbon Capture and Storage):

– Slik lagring krever at reservoaret er helt tett også i framtida. Ingenting kan lekke ut. Kunnskapen som blir til i HotCase vil derfor bli viktig når verden for alvor kommer i gang med CCS. Det vet vi er helt nødvendig for å nå klimamålene, sier  SINTEF- forsker Hoang.

Høye investeringer – stort potensial                                          

Å hente ut geotermisk varme er både dyrt med tanke på leting, kartlegging og boring av brønner. Men, dersom man lykkes kan elektrisitet produsert fra geotermisk varme være et lønnsomt alternativ til sol og vind. 

Kostnaden på geotermisk energi kan bli enda lavere, dersom vi lykkes med å bore ned til reservoarer som inneholder det som kalles superkritisk vann. Og det er nettopp det som er målet for IDDP prosjektet. Dette er vann som befinner seg i en fase der vannet er veldig varmt og under høyt trykk slik at det vil komme til overflaten som overhetet damp. Og det er nettopp det som er målet:

– Superkritisk vann inneholder enorme mengder energi og mye mer enn tradisjonell geotermi, hvor det er en blanding av vann og damp som kommer til overflaten. I slike dype reservoarer inneholder væsken så mye energi at man kan forvente å produsere mellom fem og ti ganger så mye elektrisitet som i konvensjonelle geotermiske brønner, sier Sæther.

Sturla Sæther i Equinor. Selskapet har lang erfaring med å kartlegge reservoarer for olje og gass. Kompetanse herfra kan også benyttes for geotermiske reservoarer som i dette prosjektet.  Foto: Equinor. VIS MER

Teknologi i ytterkanten av hva som er mulig

Å hente ut varmen som finnes i de virkelig dype geologiske formasjonene krever teknologi for å få brønnen til å vare over lengre tid uten og ødelegges. Det har ingen klart å utvikle – enn så lenge.

Islendingene har prøvd før, men forsøket lyktes ikke. Det er derfor ingen overdrivelse å si at HotCaSe er et prosjekt som beveger seg i ytterkanten av hva som er teknologisk mulig. Forholdene som befinner seg i jordas indre er noe for seg selv:

Én ting er ubarmhjertige temperaturer på 5-600 grader celsius. Men her finnes også noe som kalles superkritisk vann: Når termometeret passerer kritisk punkt som er 374 grader og trykket øker til 218 ganger lufttrykket på overflata, blir vannet såkalt superkritisk.

Dette vannet befinner seg i en fysisk form som går fra å være flytende, til å bli gass når det strømmer ut av brønnen. I den superkritiske fasen kan væsken være svært korroderende under visse kjemiske forhold. Det gjør operasjonen ekstra krevende.

– Litt forenklet kan casingen beskrives som ytterveggene i verdens største og mest hardføre termos, som i tillegg skal bygges under jorda, sier SINTEF-forskeren.

– Den geotermiske brønnen må konstrueres slik at de ekstreme forholdene kan håndteres. Materialene som skal brukes i ytterveggen på den geotermiske brønnen må ha helt spesielle egenskaper, og brønnen må bygges på en måte som gjør at den kan ha en levetid på minst 20 år for at dette skal bli lønnsomt. Den må også tåle uforutsette hendelser som kan føre til at temperaturen i varmereservoaret stiger i kortere perioder, forklarer Hoang i SINTEF.

Fare for full brønnkollaps

En helt sentral del av den geotermiske brønnen er det som kalles casingsystemet. Dette er brønnens «yttervegger» og består vanligvis av et stålforingsrør og sement. Veggene er utformet for å beskytte selve brønnen.  

– Litt forenklet kan casingen beskrives som ytterveggene i verdens største og mest hardføre termos, som i tillegg skal bygges under jorda, sier SINTEF-forskeren.

Casingen må designes slik at brønnen holder seg stabil i den geologiske formasjonen. Den skal også må beskytte utstyret som skal sendes ned, som sensorer og selve boreutstyret.

– Om denne konstruksjonen ikke tåler de tøffe omgivelsene, kan flere ting skje: Utstyret kan korrodere, det kan utsettes for hydrogendrevet prosess som spiser opp stålet og svekker styrken i casingen. I verste fall kan hele brønnen kollapse, forklarer Hoang.

Materialene som skal brukes må derfor ha helt spesielle egenskaper, og brønnen må konstrueres og bygges slik at den har en levetid på minst 20 år for at det skal bli lønnsomt. Den må også tåle uforutsette hendelser som kan gi ekstreme temperaturer i korte perioder.

Brønnkonstruksjon som tåler et lite «jordskjelv»

Etter snart fire år med workshops, arbeid med ulike teknologikonsepter og testing av materialer, tror teamet at de har en løsning klar: En fleksibilitet i brønnkonstruksjon. Den har blitt til gjennom teknologioverføring nettopp fra oljebransjen, og er utviklet av prosjektpartneren ISOR. 

Høye temperaturer betyr at brønnkonstruksjonen blir utsatt for høy spenning. Om casingen ikke kan bevege seg når vi starter opp brønnen kan det få store konsekvenser, det vet vi fra andre geotermiske brønner som har kollapset på grunn av spenninger i geologien.

– Derfor vil vi nå bygge en fleksibel brønn som tillater en god del bevegelse. Det reduserer spenningen i konstruksjonen og dermed vil vi unngå kollaps, sier Hieu Nguyen Hoang.

Viktig datagrunnlag som base

En viktig del av prosjektet har vært å utvikle analyseverktøyet Casinteg. Dette er et dataprogram spekket med informasjon om alt fra materialer til kjemiske reaksjoner – og altså erfaringer fra arbeidet med den islandske brønnen IDDP 2.

 – Verktøyet har gitt oss bedre innsikt i de fysiske fenomenene som oppstår i jorddypet. Men det gir oss også viktig informasjon som gjør det mulig å velge riktige materialer i casing og sement som kan takle den fleksible konstruksjonen. Alt dette blir først simulert og deretter kontrollert opp mot operasjonens reelle forhold og parameter. Dermed er teamet godt sikret mot en framtidig brønnkollaps, sier Sturla Sæther i Equinor.

HotCase baner vei for neste generasjon jordvarme

Allerede i 2017 sto jordvarmebrønnen IDDP-2 på Island ferdig. Den ble boret av norske Equinor og islandske partnere. Brønnen nådde 4650 meters dyp. Det ble målt 427°C i brønnen etter at den var ferdig boret og det er beregnet at reservoaret rundt brønnen vil har temperaturer på over 500 grader celsius.

Dette gjorde brønnen til en av verdens første som nådde superkritiske forhold. Dessverre fikk casingssystemet raskt en skade.  Derfor har det ikke vært mulig å måle forholdene i brønnen, og heller ikke mulig å gjennomføre de planlagte driftstestene.  

Men prosjektpartner Reykjavik Energy, som deltar i HotCaSe, har ikke gitt opp: De planlegger nå å bore den neste brønnen: IDDP3 om et par års tid.

Erfaringene fra de to første brønnene, IDDP1 og 2 har vist at den største hindringen er casingen. Nå håper forskerteamet at teknologien og beregningsverktøyene som er utviklet i HotCaSe vil lukke teknologigapet og gjøre det neste prosjektet til en suksess. Og her vil Casinteg spille en viktig rolle:

– Verktøyet er et av de viktigste prosjektresultatene for Equinor og alle som driver med geotermisk energi, sier Sturla Sæther. Casinteg kan raskt beregne de termiske og mekaniske kreftene på rørforingen i en geotermisk brønn. Verktøyet har også innebygde grenser for hva selve konstruksjonen, eller designet tåler, sånn at brønnen unngår skader, legger han til.

Ett steg nærmere CO₂-lagring

Nå skal teknologien fra dette prosjektet videreføres i et nytt prosjekt; IntoWell, som er under oppstart. Dette prosjektet er delfinansiert av Equinor og Forskningsrådet og målet er å utvikle robuste, sikre og kostnadseffektive brønner for lagring av CO₂ i undergrunnen.

Det vil sikre at CO₂ fangst kan gjennomføres i stor stil og i overskuelig framtid. Kunnskapen som blir til i dette prosjektet vil derfor bli viktig når verden for alvor kommer i gang med CCS.

I denne sammenhengen skal Casinteg brukes til å evaluere ulike brønnkonsepter for CO₂ lagring. Forhåpentligvis bringe storskala lagring av CO₂ ett stort skritt nærmere CO₂-fangstprosjektet Langskip. Det vil bidra til å senke verdens utslipp av CO₂ til atmosfæren og bidra i kampen mot irreversible klimaendringer.