SUB W EL L. The future is deep. YourExtreme Lagnavn: Four and a half EMIL. Henrik Gjemdal, Håvard Lefdal Hove, Jostein Gjevre,

Transkript

1 YourExtreme 2015 Lagnavn: Four and a half EMIL Henrik Gjemdal, Håvard Lefdal Hove, Jostein Gjevre, Gaute Messel Nafstad, Jonas Riseth

2 2 Innholdsfortegnelse 1. Lagsammensetning Ingress Konkretisering Norge Ideén. 6 6 Utfordringer. 7 7 Løsning Prosessen Kobberstaver Plassering av Subwell kraftverk Norsk teknologi som eksport Geotermisk kraft i kraftsystemet Konklusjon Kilder 14

3 3 fv: Håvard, Henrik, Gaute, Jostein og Jonas 1. Lagsammensetning Four and a half EMIL : Laget vårt er satt sammen av en vennegjeng med vidt forskjellige personlige egenskaper. Fire av oss kommer fra linja Energi og Miljø, mens en går Indøk Emil. Derav navnet Four and a half EMIL. Jonas er den kreative sjelen med et ekstra godt øye for design. Han har også ferdigheter innen modelerings programmer, noe som gir oss en fordel når det kommer til visualisering av ideéne våre. Henrik er vår gale professor som kommer med idéer som ofte er helt utenom de realistiske rammene. Det kommer veldig godt med. Det å nedmodifisere en urealistisk idé er en mye enklere enn å skape en. Håvard er vår teoretiske ressurs. Han har alltid kontroll på det tekniske og er med på å senke de urealistiske ideéne ned på et mer gjennomførbart nivå. Gaute er også svært kunnskapsrik og har ofte løsninger som ikke bare er nytenkende, men også realistiske. Jostein har myndighet til å holde totaloversikten over prosjektet og styre gruppen med stålhånd i silkehanske. Sammen utgjør vi et godt team.

4 4 2. Ingress I 2050 kommer samfunnet til å avhenge av fornybar, pålitelig og tilstrekkelig kraftproduksjon. For Midtfjordkomplekset blir geotermisk kraft løsningen. 3. Konkretisering Allerede i dag er det stort fokus over hele verden på fornybar energi. Dette fokuset vil være et krav i Et høymoderne anlegg som Midtfjordskomplekset er avhengig av å ha en bærekraftig kraftforsyning som ikke slipper ut miljøgasser. Midtfjordskomplekset skal være selvforsynt med både varme og elektrisk energi. Elektrisk energi er en ferskvare, som må brukes med en gang den blir produsert. Derfor kan ikke komplekset kun basere seg på solceller og vindmøller som vil variere produksjonen sin med vær og vind. Vi ønsker en elektrisitetsproduksjon som kan levere jevnt og rikelig med energi uansett årstid og værforhold. Derfor har vi valgt å satse på sub sea elkraftproduksjon som benytter seg av geotermisk energi og havbunnens stasjonære forhold.

5 5 4. Norge 6.0 Fremtiden byr på enorme utfordringer. Blant annet må man få mer effektive og mindre arealkrevende produksjonsmetoder for mat, man må sikre tilgang på ferskvann, og man er nødt til å sikre tilstrekkelig produksjon av energi. Alle behovene til menneskeheten avhenger fundamentalt sett av energi og det er derfor det er den aller mest kritiske utfordringen for framtiden. I 2050 vil verden ha kommet flere store steg videre, men selv om energieffektiviseringen vil ha kommet langt, vil jordens 9 milliarder innbyggere fremdeles kreve enorme energimengder. Denne store økningen i behov inntreffer samtidig som fossile brennstoff blir uttømt og klimaendringer gjør en fornybar overgang nødvendig. Norges fortrinn innen subsea prosjektering fra oljealderen, samt utvikling fra NTNU, gjør Norge verdensledende innenfor geotermisk subsea teknologi som blir framtidens viktigste energikilde. Midtfjordskomplekset er en selvstendig bydel som ikke trenger kontakt med fastlandet. Det skal på egenhånd produseres nok mat, nok vann, og aller viktigst nok energi. På grunn av selvstendigheten og de store behovene for et bærekraftig system blir geotermisk energi en essensiell del av Midtfjordskomplekset.

6 6 5. Idéen: Selve idéen bak løsningen vår er å finne en måte å levere nok energi til Midtfjordskomplekset. Løsningen må være slik at det ikke slippes ut klimagasser, samtidig som vi må kunne ha en jevn produksjon av elektrisitet. Derfor føler ikke vi at dagens vindmøller og solceller strekker til. Vi var også innom tanken om å benytte oss av subsea vindmøller som benytter seg av havstrømmene for å rotere slik at vi kan produsere elektrisk energi. Slike turbiner eksisterer allerede flere plasser i verden. Problemet her er egentlig det samme som for vindmøller på land, at en er avhengig av en faktor som vil variere, nemlig havstrømmen. Vi ønsker heller en løsning som er uavhengig av varierende faktorer. Vi bestemte oss derfor for å benytte oss av jordvarme. Går man langt nok ned oppnås det høye nok temperaturer til å kunne fordampe en energibærer, som man deretter kan transportere til en turbin som driver en generator. Vi tenker oss at dette kraftverket skal plasseres i nærheten av Midtfjordskomplekset, på en slik måte at det ikke tar verdifullt areal fra andre prosjekter, slik som boligprosjekter. Det skal helst også ikke være noe som er veldig synlig for folk flest. Dette, kombinert med at vi ønsker en beliggenhet som har nokså like forhold året rundt, resulterte i at vi besluttet å plassere kraftverket vårt på bunnen av fjorden/havet under der komplekset skal stå.

7 7 6. Utfordringer: Boreteknologi: Vi er nødt til å øke både dimensjonene på brønnene og øke arbeidsdybden i forhold til dagens teknologi. I dag er det temperaturen som den store utfordringen ved ved boring på ekstreme dyp. Likevel har det allerede blitt prøveboret ned mot m dyp, noe som lover godt for et prosjekt som Subwell. Grunnfjellsstruktur: Om fjellet er kompakt eller om det er fullt av sprekker vil påvirke utformingen av systemet. Hvis fjellet er kompakt vil det være lettere å forholde seg til berggrunnen både under utbygging og drift. Fjell med sprekker vil kunne føre til store utfordringer, men det vil også være mulig å utnytte sprekker i fjellet. Greier man å kartlegge sprekkene og bruke dem som en del av systemet, vil det kunne være mulig spare mye borejobb. Ved utfall: Skulle en eller flere av kraftverkene falle ut er det nødt til å finnes en back up løsning. Det vil ikke være aktuelt å være avhengig av land. I dette tilfellet vil det derfor være viktig å ha dimensjonert kraftverkene slik at de skal kunne kompensere for eventuelle utfall. Levetiden til brønnene: Etter et visst antall år vil temperaturen i grunnen være såpass mye lavere enn opprinnelig, slik at det ikke vil være effektivt å bruke den til å produsere elektrisk energi. I likhet med forrige problemstilling, må man finne en løsning slik at man hele tiden får tilført nok elektrisk energi til bydelen. Energitap: På rørstrekkningen fra varmeveksleren på m dyp til havbunnen vil det være et stort areal mot omgivelsene som vil gi varmetap. I 2050 antar vi at energieffektivisering, deriblant varmeisolasjon, vil ha kommet mye lenger enn i dag. I dag har fjernvarmeanlegg et tap på 5 10%, men dette er på langt kortere strekninger og lavere temperatur enn i Subwell. Dersom dampen i Subwell anlegget taper eksempelvis 20%, vil man likevel være godt innenfor det varmekravet en turbin krever for å fungere.

8 8 7. Løsningen vår 7.1 Prosessen Syklusen begynner i turbinhuset som er Subsea gult og plassert på havbunnen. Her blir et medium pumpet opp i trykk før det blir sendt gjennom rør ned i brønnen. Nede i brønnen varmes mediet opp av den geotermiske energien som finnes i kontinentalskorpen. Da fordampes mediet før dampen sirkulerer tilbake til turbinhuset. I turbinhuset føres dampen til turbinen der vi lar mediet ekspandere. Vi bruker dermed en såkalt overtrykksturbin. Siden vi benytter oss av et lukket system i berggrunnen, vil det gå under metoden; Hot Dry Rock (HDR). Det vil si at det blir laget kunstige sprekksystemer i opprinnelig tett fjell. Ferskvann har mange fordeler som arbeidsmedium. For det første er det miljønøytralt, noe som er en enorm fordel ved eventuelle lekkasjer. Ved lekkasje vil man ikke ha store utgifter pga tap av medium. Heller ikke ved fylling av rørsystemet vil det løpe betydelige utgifter. For det andre har ferskvann stor fordampningsvarme, noe som gjør at massestrømmen kan reduseres kontra mange andre kjente medier. Dette er fordi det kan hentes ut større mengde energi i det man går fra gassfase til væskefase i turbinen. Allerede i dag finnes det forskning på dampturbiner som godtar at det delvis er tofase tilstand på utgangssiden. Jo mindre massestrøm, jo mindre slitasje på rør og anlegg.

9 9 I turbinen skal dampen potensielt kunne ha superkritiske tilstader. Det vil si opp mot 220 bar trykk og 370 C. Gjennom dampturbinen vil trykket og temperaturen på mediet synke kraftig, men vi vil ikke være istand til å utnytte alt av mediets varmeinnhold. I 2050 regnes det med at dette vil ha kommet lenger. Da vil det være mulig å utnytte energien i vannet helt ned mot 100 C. Turbinhuset bør ikke være fylt med vann. Dersom en tømmer huset for vann vil en oppleve mindre friksjonstap når turbinen og generatoren roterer enn dersom huset er fylt med luft. Spillvarmen kan tenkes å brukes til flere formål. En kan for eksempel montere på en ekstern krets med et annet medium med lavere fordampningstemperatur slik at vi kan drive en sekundær turbin for å få produsert enda mer elektrisitet. Eventuelt kan det tenkes at spillvarmen fra dampturbinen kan hentes ut ved hjelp av en varmeveksler. Spillvarmen til derfra kunne brukes i et fjernvarmeanlegg i Midtfjordskomplekset dersom avstanden fra turbinhuset til komplekset ikke er for lang. Det er derfor mest aktuelt å forsyne de dypeste delene av matproduksjonskonstruksjonene med varme, for å slippe å bruke mye energi på å pumpe varmebæreren høyt opp fra havbunnen. Elektrisitet og eventuelle varmeførende rør føres langs havbunnen til foten av Midtfjordskomplekset. Oversikt over turbinhus(gule) koblet sammen med matproduksjonskonstruksjonene og videre oppover til resten av komplekset

10 Kobberstaver Ettersom termisk energi hentes ut fra varmebrønnene vil områdene rundt brønnen bli avkjølt og energi som kan hentes ut av brønnen sterkt redusert. Ved stasjonære forhold som oppstår over tid vil energien som hentes ut av brønnen være lik varmetilsiget i fjellet rundt brønnen. Derfor bruker vi lange staver laget av kobber som blir boret ytteligere ned i bakken. Dette er for å øke den totale varmeledningsevnen i bakken og for å kunne utnytte varmen fra et større område. Fjell har en termisk ledningsevne på 2 4 W/mK mens kobber har en ledningsevne på 400 W/mK. Denne store økningen i varmekonduktivitet vil gjøre at brønnene får høyere temperatur over tid og at de vil vare lenger før de må ha pause i produksjonen. Kobberstavene ser vi for oss at går videre i flere retninger fra bunnen av brønnen vår. Vi mener at det vil være et realistisk scenario for 2050 at det går an å bore hull til kobberstavene i flere retninger og ikke bare rett nedover. Dette baserer vi på at boreteknikken fra petroleumsnæringa allerede er kommet langt og det forskes mye på hvordan en skal klare å bore på skrått. Vi mener at det dermed er realistisk at en i 2050 klarer å båre skrå hull. For at kobberstavene ikke skal bryte under kreftene fra omgivelsene er de armert med framtidens karbonteknologi (karbyn)[2]. Rørsystem og varmeledende kobberstaver

11 Plassering av Subwell kraftverk En vanlig HDR brønn forventes en levetid på ca år, og det vil ta år før temperaturen har kommet opp på opprinnelig nivå igjen, hvis den ligger uvirksom, i følge artikkelen Geotermisk kraftproduksjon [1]. Kobberstavene vil forlenge denne levetiden, siden de gjør at varme kan transporteres fra et større område, og varme kan bevege seg raskere fra nærmere jordas kjerne. For at disse kraftverkene kontinuerlig skal kunne produsere energien som byen trenger, må det bygges flere kraftverk enn vi trenger til enhver tid. Da kan man veksle mellom å bruke kraftverkene, slik at det alltid vil effektivt produseres energi. Kraftverkene må plasseres tilstrekkelig langt fra hverandre på havbunnen, slik at de ikke tar varme fra samme område. 7.4 Norsk teknologi som eksport Dagens geotermiske kraftteknologi avhenger av at man henter varme fra vulkanske eller geologiske svært aktive områder. I disse områdene vil platebevegelser og faren for jordskjelv gjøre det ugunstig å bore dypere enn man gjør i dag. Med den nye norskutviklede teknologien som tar utgangspunkt i norsk subsea og boreteknologi fra oljealderen blir Norge verdensledende innenfor den globale satsingen på geotermisk energi. Nå kan man utnytte jordens varme på alle jordens kontinenter under kontrollerbare forhold og sikre en pålitelig energikilde som fyller behov som de uforutsigbare kildene som vind og sol ikke kan. For andre land er også subseateknologien svært viktig fordi jordskorpen er veldig mye tynnere på verdenshavene enn på land (ca. 10 km mot ca. 50 km). Den jevne og kalde temperaturen på havbunnen og den korte veien til høye temperaturer i jordskorpen gjør havet til det ideelle stedet for geotermisk kraftproduksjon.

12 Geotermisk kraft i kraftsystemet Fremtidens kraftsystem kommer til å bestå av selvstendige enheter og et integrert kraftsystem. Kraften kommer fra fornybare kilder som blant annet vind og sol som er uforutsigbare og varierende energikilder som skaper store utfordringer. Derfor er det viktig å ha stabile og regulerbare energikilder som vannkraft, men i selvstendige enheter som Midtfjord vil geotermisk energi være et veldig godt alternativ for å fylle denne rollen. Hovedbegrensingen til geotermisk kraft er varmetilsiget i grunnen. Dette er en svært saktevirkende effekt og man kan derfor med god regulering og et godt dimensjonert system møte et raskt svingende energibehov.

13 13 8. Konklusjon Subwell prosjektet vil kunne dekke behovet for elektrisk energi til Midtfjordkomplekset på en pålitelig måte som ingen andre havbaserte fornybare energikilder kan. Med sitt robuste og driftsikre design vil den kunne gi sikker og stabil strømforsyning. Det kan bygges flere eksterne Subwell anlegg utenfor norskekysten både til andre selvstendige enheter og for produksjon til det nasjonale kraftsystemet. Det kan også gi liv til en rekke sub sea forkning og matproduksjonsanlegg, da de kan bli selvforsynte. Teknologien i seg selv kan eksporteres til globalt marked grunnet et fleksibelt og kompakt design. Subwell blir selve symbolet på hvordan Norge omstilte seg fra oljealderen uten å miste de fortrinnene vi har i dag og fortsatte å være en verdensledende industrinasjon.

14 14 9. Kilder: Fornybar energi: energi/dyp geotermisk energi Varmeledning: Geotermisk gradient: energi [1]: Geotermisk kraftproduksjon energi/dyp geotermisk energi/hvordan virkerdet/geotermisk kraftproduksjon [2]: Karbyn: carbyne a new form of carbon that s stronger than graphene Personreferanser: Allan George Krill, Professor, Institutt for geologi og bergteknikk Truls Gunersen, Professor, Institutt for energi og prosessteknikk