Vísindamenn bora djúpt eftir grænni orku

Grænar orkulindir eins og sól og vindur ná ekki að fullnægja orkuþörf okkar. Því halda nú vísindamenn frá einkafyrirtæki nokkru í leit að stærri auðlindum. Með nýrri snjallri bortækni hyggjast þeir brenna sig 20 kílómetra niður í jörðina.

BIRT: 07/01/2023

LESTÍMI:

8 mínútur

Þess vegna ættir þú að lesa greinina

Til að öðlast innsýn í óendanlega varmauppsprettu sem liggur undir fótum þínum.

Til að sjá hvernig við getum samþættað grænar orkulindir til að bjarga loftslaginu.

Þrjá kílómetra niðri í jörðinni er vinnan orðin erfið fyrir hefðbundinn borbúnað. Eftir að hafa vikum saman étið sig í gegnum leir, sand og möl er borinn nú komin niður á meginlandsskjöld úr graníti.

 


En verkfræðingar eru með lausn við þessu. Þeir draga borhausinn upp og koma fyrir í staðinn undarlegu röri með einhverju á endanum sem líkja mætti við lítinn gervihnattadisk.


Nokkru seinna tekur diskur þessi að senda frá sér rafsegulgeislun með gríðarlegu afli. Geislunin verður til þess að bergið í botni borholunnar molnar í sundur. Það hættir einfaldlega að vera til. Og þetta gengur hratt fyrir sig!

 

Á meðan venjulegur bor væri mánuði að ná næsta kílómetra niður gerir diskurinn þetta á einni viku og skilur eftir slétta lóðrétta holu sem er 20 sentimetrar í þvermál.

 


Að baki þessari byltingarkenndu bortækni er bandaríska fyrirtækið Quaise. Enn er hún einungis á teikniborðinu en fjárfestar standa í röðum því horfur þessarar tækni eru afar góðar.

Vísindamenn ætla að brenna 20 kílómetra djúpa holu á 100 dögum

Og útreikningar fyrirtækisins sýna að mögulegt sé að ná 20 kílómetra niður í jörðina á einungis 100 dögum. Og verði sú raunin stöndum við frammi fyrir orkubyltingu sem gæti gert grænu orkuskiptin að hreinum barnaleik.

 

Ísland í fararbroddi

Markmið Quaise er að ná í hinn gríðarlega varma sem er að finna í iðrum jarðar. Jarðfræðilíkön sýna að á 20 kílómetra dýpi er hitinn alls staðar á milli 400 og 500 gráður.

 

Hitinn er frá því að jörðin myndaðist og stafar af sífelldri hrörnun geislavirkra frumefna í berggrunninum. Einkum úrani, þóríum og kalíni.

 

Ef við fáum aðgang að þessum jarðvarma getum við nýtt hann til að framleiða rafmagn á sama máta eins og nú er einungis gert á fáum stöðum í heiminum.

 

Einn þeirra er Ísland þar sem 25 prósent af rafmagninu er sótt með jarðvarma.

Eldvirkni gerir jarðskorpuna undir Íslandi það þunna að virkjanir geta auðveldlega nýtt innri hita jarðar.

Ásamt t.d. Japan og Nýja-Sjálandi er Ísland eitt af fáum heppnu löndum á hnettinum sem geta sótt í slíka orku. Eyjan liggur á svokölluðum Miðatlantshafshrygg þar sem nýr hafsbotn er stöðugt að myndast vegna mikillar eldvirkni á flekaskilum.

 

Það felur í sér að jarðskorpan er afar þunn þannig að segja má að bora þurfi bara skammt niður í jörðina til að unnt sé að nýta varmann, bæði til upphitunar húsa og til að framleiða rafmagn.

 

Heitt vatn til upphitunar þarf einungis að vera yfir 50 gráðum, meðan að rafmagnsframleiðslan þarfnast hitastigs sem er minnst 150 gráður og gjarnan mun hærra.

 

Annars staðar í heiminum er jarðvarmi til rafframleiðslu einungis mögulegur ef auðvelt og ódýrt reynist að sækja orkuna mun dýpra niður í jarðskorpuna.

Í dag eru einungis takmörkuð svæði (rauð) þar sem hægt er að framleiða rafmagn með jarðvarma. En takist að bora 20 kílómetra niður verður það mögulegt um heim allan.

Þetta er einnig sá vandi sem Quaise hyggst leysa með nýrri bortækni sinni.

 

„Árið 2022 gerðum við prufuboranir niður á 10 metra dýpi. Þessu næst hefst annar fasi. Við teljum að árið 2024 verði tæknin tilbúin og þá getum við fyrir alvöru farið að bora niður í djúpið,“ upplýsir Carlos Araque forstjóri og meðstofnandi Quaise.

 

Í stað þess að bora með hefðbundnum borhaus hyggjast vísindamenn Quaise bókstaflega brenna sig í gegnum bergið. Til þess nota þeir örbylgjurafal – svokallaðan gyrotrón.

 

Tækni þegar til staðar

Gyrotrón framleiðir orkuríkar rafsegulbylgjur í millimetra lengd með tíðni milli 30 og 300 GHz. Sem betur fer er þessi tækni þegar til staðar – einnig í þeim skala sem Quaise hyggst nota.

 

Það eru nefnilega gyrotrónar sem aðrir orkusérfræðingar nota í tilraunir með samrunaorku. Þar nota vísindamenn örbylgjurnar til að hita samrunaeldsneyti í yfir 100 milljón°C.

Gyrótrónar eru notaðir í samrunakljúfa til að hita upp eldsneytið – eins og hér á stóru evrópsku tilraunastöðinni ITER.

Svo háan hita þarf Quaise ekki að nota þar sem 3.000°C er nóg til að bora sundur bergið í botni borholunnar.

 

Hins vegar felst helsta áskorunin í því að færa þessar orkuríku örbylgjur djúpt niður í jörðina. Flutningurinn gerist með svokölluðum bylgjuleiðara sem eru málmrör með innra yfirborð sem endurvarpar örbylgjunum án taps. Í botni holunnar opnar bylgjuleiðarinn örbylgjurnar sem brenna bergið i fínan öskulíkan mulning.

 

Askan er síðan fjarlægð með því að dæla eðalgasinu argoni niður í holuna. Þar blandast askan gasinu og síðan er hægt að lyfta þessu upp þar til gasið er komið upp á yfirborðið.

Örbylgjur bræða bergið

Fyrirtækið Quaise hyggst nota glænýja tækni til þess að bora djúpt niður í berggrunninn. Örbylgjur frá svonefndum gyrotróni eru notaðar til að brenna bergið í ösku sem er síðan sótt upp með hjálp gastegundar.

1. Gyrotrón sendir út örbylgjur

Eftir að venjulegur bor hefur náð í gegnum jarðlögin tekur gyrotróninn við. Hann skapar afar orkuríkar örbylgjur sem eru sendar niður í gegnum borholuna með svonefndum bylgjuleiðara.

2. Örbylgjur brenna bergið burt

Í botni holunnar skapa örbylgjur hita sem nemur 3.000 gráðum, þannig að bergið gufar upp á allt að 15 sentimetra kafla. Neðar bráðnar bergið en storknar á ný og styrkir með þeim hætti holuna.

3. Gas nær í brotið bergið

Uppgufað bergið kristallast skjótt í fínan bergmulning sem minnir á ösku. Mulningurinn er fjarlægður með því að argongasi er dælt niður í holuna. Þegar gasið stígur upp tekur það öskuna með sér.

1. Örbylgjur bræða bergið

Fyrirtækið Quaise hyggst nota glænýja tækni til þess að bora djúpt niður í berggrunninn. Örbylgjur frá svonefndum gyrotróni eru notaðar til að brenna bergið í ösku sem er síðan sótt upp með hjálp gastegundar.

1. Gyrotrón sendir út örbylgjur

Eftir að venjulegur bor hefur náð í gegnum jarðlögin tekur gyrotróninn við. Hann skapar afar orkuríkar örbylgjur sem eru sendar niður í gegnum borholuna með svonefndum bylgjuleiðara.

2. Örbylgjur brenna bergið burt

Í botni holunnar skapa örbylgjur hita sem nemur 3.000 gráðum, þannig að bergið gufar upp á allt að 15 sentimetra kafla. Neðar bráðnar bergið en storknar á ný og styrkir með þeim hætti holuna.

3. Gas nær í brotið bergið

Uppgufað bergið kristallast skjótt í fínan bergmulning sem minnir á ösku. Mulningurinn er fjarlægður með því að argongasi er dælt niður í holuna. Þegar gasið stígur upp tekur það öskuna með sér.

Hugmynd Quaise hefur þann kost að niður í borholunni er enginn búnaður sem slitnar og þarf að skipta um.

 

Jafnframt verða veggir á innanveðri borholunni sjálfkrafa innsiglaðir með sterkri kápu og bráðnu bergi sem storknar og verður að gleri. Venjulegar borholur þarf að stífa af með málmrörum sem eru leidd niður eftir borunina og það er bæði tímafrekt og kostnaðarsamt.

 

Ein lausn á tveimur vandamálum

Með þessum hætti leysir Quaise tvær stærstu áskoranirnar sem tengjast djúpborun: Að innsigla borholuna og koma borefninu upp á yfirborðið.

 

Þessi tvö vandamál fela í sér að kostnaður við hefðbundna mekaníska borun margfaldast með auknu dýpi. Og það á einnig við borunartímann fyrir hvern aukalegan kílómetra.

 

Af sömu ástæðum hefur aldrei tekist að bora svo djúpt sem Quaise hyggst gera. Dýpsta borhola í heimi er ríflega 12 kílómetrar. Metið var sett á Kólaskaga árið 1989 af vísindamönnum frá þáverandi Sovétríkjum.

Dýpsta borhola jarðar var boruð á Kólaskaga frá 1970 til 1989. Það tók því 19 ár að ná ríflega 12 kílómetra niður. Með nýrri tækni hyggst Quaise slá þetta met rækilega.

Þessar tæknilegu takmarkanir við hefðbundna borun eru einnig mikilvægasta orsök þess að jarðvarmi fullnægir núna einungis einu prósenti af orkunotkun jarðarbúa sem nálgast 20 teravött. Eitt teravatt er 1012 vött eða talan einn með tólf núllum á eftir.

 

„Markmið okkar með djúpum jarðvarma er að framleiða baseload-orku í teravöttum,“ segir Carlos Araque.

 

Og einmitt orðið baseload skiptir sköpum fyrir græna orkubreytingu. Baseload er hugtak fyrir orkulind sem má stýra eftir þörfum.

 

Í dag kemur mikil baseload-orka frá orkuverum sem brenna jarðefnaeldsneyti. Vatnsafl er líka baseload orkulind, svo fremi að það sé nægjanlegt vatn í stíflunni, meðan að sólar- og vindorka er það ekki. Þar er framleiðslan breytileg eftir veðri og vindum.

 

Ef jarðvarmi getur veitt okkur baseload-orku í miklu magni mun það skipta verulegu máli varðandi sjálfbærar orkulindir sem eiga að gera okkur óháð jarðefnaeldsneyti.

Tilraunir Quaise geta þannig gjörbreytt orkubúskap okkar. Allt stendur þetta og fellur með gyrotrón-boruninni.

 

Fyrstu tilraunir fyrirtækisins sýna að grunnhugmyndin með að bræða bergið með hjálp gyrotrónsins virkar á rannsóknarstofunni en hvort tæknin sé jafn skilvirk í fullum skala og með kílómetra löngum bylgjuleiðslum er enn óvíst.

Djúpborunin verður gerð með örbylgjum frá svokölluðum gyrotrón. Tæknin hefur verið prófuð á rannsóknarstofu þar sem rannsakendur hafa brennt fimm sentimetra breitt gat í stein (t.h.).

Orkuver verða endurnýtt

Ef þessi leiðangur á að heppnast og það reynist unnt að bora hvar sem er með miklu minni kostnaði, geta orkufyrirtæki á skömmum tíma skipt út kolum og olíu í núverandi orkuverum fyrir græna orku úr berggrunninum.

 

Það þarf bara tvær djúpar borholur nærri orkuverunum. Þannig geta þær haldið áfram að framleiða rafmagn án þess að losa CO2.

 

Til þess að ná sem bestum árangri þarf að dæla vatni niður þar sem bergið er 400 – 500 gráðu heitt. Þá þarf varminn og mikill þrýstingur í holunni að breytast yfir í fjórða fasa, fasa sem er ólíkur því sem við þekkjum á yfirborði jarðar: Gas, vökvi og fast efni.

 

Þess í stað verður til fasi sem sérfræðingar á dramatískan máta nefna ofurkrítískan. Í þessum fasa inniheldur vatnið tíu sinnum meiri orku en venjulegt vatn. Þetta gerir það afar heppilegt til orkuframleiðslu því svonefnd orkuþéttni vatns getur þannig keppt við jarðefnaeldsneytið.

Tæknin og náttúran eru til reiðu

Tæknin til að nýta jarðvarmaorku er þegar til staðar. Við gætum jafnvel endurnýtt þau orkuver sem áður voru knúin með kolum og gasi. Og berggrunnurinn er tilbúinn að skila þessum varma og þeim þrýstingi sem veita mest afköst.

1. Kalt vatn brýtur upp bergið

Dæla setur þrýsting á köldu vatni sem er sent niður í gegnum fyrstu borholuna. Þegar vatnið streymir út á 20 kílómetra dýpi springur þurrt bergið sem er 400 – 500 gráðu heitt.

2. Vatnið fyllist af orku

Eftir því sem meira vatni er dælt niður myndast forðabúr sem hægt er að beita miklum hita og þrýstingi á. Vatnið verður ofurkrítískt, þ.e.a.s. það getur innihaldið allt að tíu sinnum meiri orku en venjulega.

3. Glóandi heit gufa knýr gamlar túrbínur

Ofurkrítísku vatni er dælt upp. Þegar það kemur upp á yfirborðið þar sem þrýstingurinn er minni verður það að sjóðandi gufu sem má nýta til rafmagnsframleiðslu – t.d. með túrbínu og rafölum úr gömlum kolaorkuverum.

Tæknin og náttúran eru til reiðu

Tæknin til að nýta jarðvarmaorku er þegar til staðar. Við gætum jafnvel endurnýtt þau orkuver sem áður voru knúin með kolum og gasi. Og berggrunnurinn er tilbúinn að skila þessum varma og þeim þrýstingi sem veita mest afköst.

1. Kalt vatn brýtur upp bergið

Dæla setur þrýsting á köldu vatni sem er sent niður í gegnum fyrstu borholuna. Þegar vatnið streymir út á 20 kílómetra dýpi springur þurrt bergið sem er 400 – 500 gráðu heitt.

2. Vatnið fyllist af orku

Eftir því sem meira vatni er dælt niður myndast forðabúr sem hægt er að beita miklum hita og þrýstingi á. Vatnið verður ofurkrítískt, þ.e.a.s. það getur innihaldið allt að tíu sinnum meiri orku en venjulega.

3. Glóandi heit gufa knýr gamlar túrbínur

Ofurkrítísku vatni er dælt upp. Þegar það kemur upp á yfirborðið þar sem þrýstingurinn er minni verður það að sjóðandi gufu sem má nýta til rafmagnsframleiðslu – t.d. með túrbínu og rafölum úr gömlum kolaorkuverum.

Hugmyndin að umbreyta núverandi orkuefnum í jarðvarmaver er ein grunnstoðin í viðskiptalíkani Quaise.

 

„Þessi græna umbreyting getur ekki hafist með því að við hendum öllu því sem við höfum nú þegar bara á haugana og smíðum upp á nýtt,“ segir Carlos Araque.

 

„Orkuverin standa fyrir áratuga eða jafnvel aldagömlu þróunarstarfi manna. Með einfaldri breytingu getum við hætt losun á CO2.“ Ef rannsóknir næstu ára ganga vel sér Carlos Araque fyrir sér að Quaise verði tilbúið að veita fyrsta jarðeldsneytisorkuverinu grænan jarðvarma fyrir árið 2030.

BIRT: 07/01/2023

HÖFUNDUR: NIELS HALFDAN HANSEN

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: Shutterstock,© Malene Vinther,© ITER.org, Claus Lunau,© Andre Belozeroff & Khalil,© Quaise Energy,

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is