Produksjon av elkraft fra HDR

Transkript

1 Eksperter i team våren 2002 Landsby: Fornybar energi fra jordskorpen. Produksjon, lagring og anvendelser Faglig rapport Produksjon av elkraft fra HDR

2 Forord Denne rapporten er skrevet i forbindelse med faget Eksperter i Team våren Vi har vært i landsbyen Fornybar termisk energi fra jordskorpen. Produksjon, lagring og anvendelser., ved Institutt for Geologi og Bergteknikk. Vi valgte å skrive om produksjon av elektrisitet fra Hot Dry Rock (HDR). Årsaken til det var at den faglige bakgrunnen til gruppas medlemmer var ulik. Tre hadde bakgrunn fra geologi, en fra varme- og energiprosesser og en fra elkraft. Det var derfor naturlig å velge et tema som hadde elementer fra alle disse fagretningene. Trondheim, Anne Elin Sæbø Elise Husebø Espen Masvik Håvard Andreas Fjeldheim Trine Bye Eksperter i Team våren 2002 NTNU I

3 Sammendrag Hot Dry Rock er en metode for å utnytte den geotermiske gradienten i jordskorpen. Ved å bore flere dype brønner og lede vann gjennom sprekker som forbinder brønnene, kan varmen i fjellet utnyttes. Det varme vannet kan enten brukes direkte til oppvarming, eller det kan brukes til å drive et kraftverk. I Europa er det forsket på HDR-teknologi siden 1970-tallet. De viktigste prosjektene er Bad- Urach, Falkenberg, Soultz og Fjällbacka. I Norge vil det være mest aktuelt å utnytte HDR i Oslofeltet. Her er den geotermiske gradienten høyest på grunn av at granitt er den dominerende bergarten. Granitt har høyt innhold av kvarts og radioaktive isotoper, noe som gir stor varmekapasitet. Før man begynner å bore, må man kartlegge berggrunnen. Dette gjøres ved seismiske undersøkelser. Boringen er den mest tids- og kostnadskrevende prosessen ved utvikling av et HDR-reservoar. Det er to aktuelle metoder som kan benyttes, Coiled Tubing (CT) eller tradisjonell rotasjonsboring. CT er billigere enn rotasjonsboring, men ulempen er at det går sakte å bore i de hardeste bergartene. Det er mulig å kombinere disse metodene. Brønnene som bores må forbindes i bunnen. Dette kan enten være naturlige sprekker eller sprekker som lages ved hydraulisk splitting. Man pumper da ned vann med høyt trykk, slik at det omliggende fjellet sprekker. Etter at trykket senkes blir sprekkene holdt åpne med glasskuler. Disse sprekkene utgjør et stort varmevekslingssystem, hvor vannet som pumpes ned blir varmet opp. Vannet pumpes så opp igjen til overflaten hvor det blir brukt i geotermiske kraftverk. Avhengig av hvilken tilstand vannet har, kan den termiske energien omformes til elektrisk energi på ulike måter. Dersom vannet er i dampform brukes det i et tørr-damp kraftverk. Hvis vannet er i tofase (det vil si blanding av væske og gass), må væsken omformes til damp. Da brukes et flash-steam kraftverk. Det vanligste er at vannet er i væskeform. Da kan det ikke brukes direkte i en turbin. Isteden blir varmen overført til et annet medium med lavere fordampningstemperatur. Dette gjøres i binære kraftverk. De geotermiske kraftverkene gir små miljøskadelige utslipp sammenlignet med tradisjonelle termiske kraftverk. De ikke-kondenserbare gassene som blir skilt ut kan også blandes med luft og brennes i en gassturbin. Det varme vannet fra HDR-reservoaret kan også brukes til forvarming i vanlig termiske kraftverk. Virkningsgraden til disse kraftverkene vil da øke. Eksperter i Team våren 2002 NTNU II

4 Innholdsfortegnelse Forord...I Sammendrag... II Innholdsfortegnelse... III Figurliste...IV 1 Innledning Geotermisk energi Hvor kan man finne geotermisk energi? Oslofeltet Hva er Hot Dry Rock? Anvendelse av HDR Produksjon av varme Produksjon av elkraft HDR-historie og prosjekter i Europa HDR-historie HDR prosjekter i Europa Bad-Urach i Tyskland Falkenberg i Tyskland Fjällbacka i Sverige Soultz i Frankrike Landseismikk Dynamitt Vibrator Boring av HDR-brønner Tradisjonell rotasjonsboring Coiled Tubing Oppsummering Hydraulisk splitting Geotermisk kraftproduksjon Tørr-damp kraftverk Flash-steam kraftverk Binære anlegg Arbeidsmedier Heat pipe turbin Sammenligning med fossile kraftverk Miljøkonsekvenser ved geotermisk kraftproduksjon Hybride systemer Kombinasjon av gassturbin og geotermisk energi Forvarming av fødevann med geotermisk energi Sluttkommentar Kilder Eksperter i Team våren 2002 NTNU III

5 Figurliste Figur 1 Inndelingen av jordkloden... 2 Figur 2 Plategrenser... 4 Figur 3 Varmestrøm... 5 Figur 4 Ideelle forhold for dannelse av en Hot Dry Rock ressurs... 6 Figur 5 Utviklingen av Oslofeltet...8 Figur 6 Bruk av varme fra HDR på Rikshospitalet Figur 7 HDR-prosjekter i Europa Figur 8 Boreriggen som boret første brønn under HDR-prosjektet i Soultz Figur 9 Skisse av seismisk bølge-propagering Figur 10 Gangen i en seismisk undersøkelse på land ved bruk av dynamitt som kilde Figur 11 En seismisk vibrator gjennomfører undersøkelser Figur 12 Borerigg for tradisjonell rotasjonsboring Figur 13 Coiled Tubing, kontinuerlig borestreng rundt en trommel Figur 14 Prinsippet for hydraulisk splitting Figur 15 Spenningssituasjon Figur 16 σ v er ikke minste hovedspenning Figur 17 σ v er minste hovedspenning Figur 18 Modell av tørr-dampkraftverk Figur 19 Modell av flash-steam kraftverk Figur 20 Modell av binært anlegg Figur 21 Modell av heat-pipe turbin Figur 22 Skjematisk fremstilling av den hybride syklusen med NCG forbrenning Figur 23 Prinsipp for geotermisk forvarming i et dampkraftverk og skjema av en termisk vannsyklus for vann med høyt saltinnhold Eksperter i Team våren 2002 NTNU IV

6 1 Innledning I Norge har vi i dag et underskudd på elektrisitet og behovet for nye energikilder er stort. Det forskes på mange nye energikilder, som blant annet gass, vind, saltkraft og bølger. I utlandet utvikles det også kraftverk for utnyttelse av geotermisk energi. Dette kan gjøres ut fra HDRteknologi. Grunnfjellet i Norge er velegnet for HDR dersom man borer dypt nok. Ulempen er at boring er kostbart. Det er lite forskning på HDR-teknologi her til lands. Det eneste prosjektet som er gjennomført, er et pilotanlegg ved Rikshospitalet i Oslo. Dette anlegget skal kun benyttes til oppvarming. Varmen man kan ta ut fra HDR kan enten brukes direkte til oppvarming eller omformes til elektrisk energi. Dette kan gjøres på ulike måter, alt ut fra tilstanden til vannet man henter opp fra reservoaret. Man kan også bruke varmen i tilknytning til andre typer termiske kraftverk, såkalte hybride anlegg. Rapporten tar for seg forutsetningene for HDR-teknologien. Det vil si de geologiske forhold som må være til stede, hvilke boremetoder som kan brukes og hvordan man kan opprette et reservoar. I tillegg ser vi på selve omformingen av termisk energi til elektrisitet og mulighetene for å kombinere ulike teknologier for å øke virkningsgraden. Til slutt ser vi også på noen av de miljøkonsekvensene geotermisk elektrisitetsproduksjon medfører. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 1

7 2 Geotermisk energi Jordkloden kan i hovedsak deles inn i tre ulike soner; skorpa, mantelen og kjernen. Skorpa, som er ytterst, er forholdsvis tynn, men varierer kraftig i tykkelse over hele kloden. Havbunnsskorpa er bare 8 km tykk, mens kontinentalskorpa kan bli opp til 70 km tykk i kollisjonssonene. Under skorpa finner man mantelen. Mantelen går ned til 2900 km og utgjør med dette mer enn 80 % av klodens volum. Skorpa og den øverste delen av mantelen, ned til 100 km, har fått navnet litosfæren. Mantelen kan deles inn i øvre og nedre del, der den øvre delen går fra skorpa og ned til omtrent 700 km. I området fra km har man astenosfæren som er plastisk. Resten av den øvre mantelen, i tillegg til den nedre, er fast. Inne i mantelen, ved omtrent 200 km, er temperaturen på 1000 C. Kjernen, som er sentrum av jorda, går ned til 6370 km og blir delt inn i ytre og indre del. Den ytre delen er flytende mens den indre er fast og består av jern. Kjernen er faktisk så kompakt at den utgjør mer enn 1/3 av klodens totale masse selv om den bare utgjør 1/6 av det totale volumet. Inne i kjernen er det antatt at temperaturen overstiger 7600 C. 1 Figur 1 Inndelingen av jordkloden. 1 Som man forstår øker temperaturen med dypet, men denne økningen varierer fra sted til sted. Et uttrykk for hvordan temperaturen endrer seg er den geotermiske gradienten, som er temperaturøkning per dybdeenhet. På verdensbasis varierer denne fra 15 C til 75 C per kilometer under overflaten, med et gjennomsnitt på 25 C/km. Men denne gradienten er bare gyldig ned til omtrent 100 km dyp, da man kommer inn i astenosfæren og får en mye større temperaturøkning. 2 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 2

8 Den viktigste kilden til geovarme er spalting av radioaktive materialer i de øverste 30 km av jordskorpa. Dette utgjør omtrent 70 % av varmestrømmen. De resterende 30 % skyldes at varmen blir ført fra kjernen og utover i kloden, noe som resulterer i nedkjøling av jordas indre. 3 I den øverste delen av skorpa er det de store forskjellene mellom hav- og landområder som gjør at man får svært variable termiske forhold. I tillegg spiller de lokale geologiske effektene en viktig rolle. Dette kan for eksempel være foldning og forkastninger, soner med forskjellige bergartstyper med varierende termiske egenskaper, varme kilder (for eksempel vulkanske) og varierende grunnvannsforhold % av jordmassen er varmere enn 1000 C. Dette har ført til at mer enn 60 land utnytter denne varmen direkte, og siden 1913 har geovarme også blitt brukt til elektrisitetsproduksjon. Det finnes store landområder som har temperaturer på over 200 C på mindre enn 5 km dyp. Men, permeabiliteten, det vil si evnen en bergart har til å lede væske, i disse formasjonene er så lav at det er nødvendig med spesiell teknologi for å få til en økonomisk energiproduksjon. Dette er Hot Dry Rock-teknologi. 5 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 3

9 Produksjon av elkraft fra HDR 3 Hvor kan man finne geotermisk energi? Varme strømmer ut av jorda på grunn av den store temperaturforskjellen mellom overflaten og jordas indre. Varmen blir hovedsakelig fraktet gjennom jorda ved konveksjon, det vil si bevegelse av materiale fra krypeprosesser i varme, deformerbare materialer. Dette er en veldig effektiv varmetransportprosess som resulterer i små variasjoner i temperaturen i konveksjonslaget. I jordskorpa er materialet for stivt til å transportere varme ved konveksjon, og varmen blir derfor transportert ved konduksjon. Her vil temperaturen øke mot dypet, og dette kalles den geotermiske gradienten. Jordskorpa er delt opp i fragmenter eller såkalte litosfæriske plater som beveger seg med et par centimeter i året på grunn av de indre konveksjonsbevegelsene. Den kinetiske energien til platene kommer fra den indre varmeproduksjonen. Figur 2 gir en oversikt over de litosfæriske platene. Figur 2 Plategrenser 6 Det er langs disse plategrensene, hovedsakelig der det er strekk og kompresjon, at varmestrømmen når sitt maksimum. Denne varmestrømmen har foregått over lang tid, og har ført til at varme har blitt lagret i bergartene i de øvre delene av jordskorpa. Langs plategrensene er det også en lokal varmekonsentrasjon fordi bergartsmateriale kommer opp til overflaten i smeltet form. Figur 3 viser et kart over varmestrømmen i verden. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 4

10 Figur 3 Varmestrøm 6 Av figuren ser vi at den høyeste varmestrømmen er langs aktive oceanrygger og kontinentalgrenser. Kokende slambassenger, geysirer og vulkaner er karakteristiske fenomener i disse områdene og indikerer en høy geotermisk gradient som kan utnyttes til produksjon av elektrisk kraft. Disse områdene kalles geotermiske felt, og kan deles inn i tre ulike grupper: 1. Lavtemperaturfelt. Vannet har en temperatur < 85 C. Temperaturen er for lav til å kunne utnyttes til kraftproduksjon, men kan benyttes til oppvarming av boliger, næringsbygg og drivhus. 2. Tørt dampfelt. Disse feltene forekommer i geotermiske områder der temperaturen er høy og vanntrykket er akkurat over atmosfæretrykket. Vannet koker i grunnen og dampen fyller sprekker og porer i bergartene. 3. Vått dampfelt. Reservoaret med varmt vann er under et høyt trykk og temperaturen kan komme opp i 400 C uten at vannet koker. Flere land rundt om i verden har utnyttet geotermiske felt til å produsere elektrisitet. Dette gjelder blant annet USA, Filippinene, Mexico og Italia. 2 Det finnes også andre geotermiske ressurser som kan utnyttes til kraftproduksjon, men teknologien for å kunne utvinne dem er ikke fullt utviklet ennå. Det ene er såkalte geotrykksoner som involverer lommer av varmt vann som er under et høyt trykk og har en temperatur på rundt 175 C i sedimentære basseng. Den andre potensielle geotermiske ressursen er Hot Dry Rock, og som navnet tilsier involverer det varme fra tørre bergarter på dypet. I motsetning til geotrykksoner har Hot Dry Rock en stor utstrekning, og man er ikke avhengig av å ha spesielle geologiske forhold slik som ved geotermiske felt. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 5

11 Hot Dry Rock refererer til varme som er lagret i impermeable bergartslag, og til prosessen med å utvinne denne varmen. De ideelle forholdene for dannelse av en HDR-ressurs er: - krystalline bergarter med en høy termisk konduktivitet som leder varme opp mot høyereliggende områder - krystalline bergarter som genererer varme fra radioaktive isotoper - overliggende sedimentære lag Under de sedimentære lagene ligger det krystalline grunnfjellet. Granitt er den vanligste av alle dypbergarter, og store deler av jordas overflate ligger på granitt. Granittkropper genererer generelt mer varme enn andre bergarter fordi de er utkrystallisert fra magma som hadde et naturlig høyt innhold av radioaktive isotoper slik som uran, thorium og kalium. Granitt inneholder kvarts og feltspat. Kvarts er det mineralet som har størst varmeledningsevne og vil være viktig for transport av varme. Hvis disse forholdene er til stede kan dette gi en temperatur på C i de øverste 5 km av jordas overflate. Figur 4 illustrerer hvilke forhold som må være tilstede for dannelse av Hot Dry Rock. Figur 4 Ideelle forhold for dannelse av en Hot Dry Rock ressurs 7 Her i landet forekommer granitt en rekke steder; i grunnfjellet, i den kaledonske fjellkjeden og i Oslofeltet. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 6

12 4 Oslofeltet Grunnen til at vi har valgt å gå inn på Oslofeltet i denne rapporten er at det er her HDRpilotprosjektet ved Rikshospitalet blir utført. Det er også på denne kanten av landet at befolkningstettheten er størst, og området i og rundt Oslofeltet vil derfor være mest aktuelt for HDR-prosjekt i Norge. Oslofeltet er en lang rift i jordskorpa som ligger på vestsiden av Oslofjorden, og er omtrent km 2 i utstrekning. Det er omtrent 200 km langt, og strekker seg fra Langesund i sør til Mjøsa i nord. Bredden på feltet varierer fra 35 til 65 km. Feltet er begrenset av forkastninger både i øst og vest. Forkastningsbevegelsene foregikk i permtiden, det vil si for omtrent 250 millioner år siden. Det var størst innsynkning på østsiden, slik at hele feltet kan betraktes som en halvgraben. Innsynkningen har ført til at både kambro-siluriske (~ millioner år gamle) og permiske bergarter har blitt bevart. De kambro-siluriske bergartene er sedimenter, mens de permiske hovedsakelig er magmatiske, både vulkanske og intrusive (inntrengnings-) bergarter. Lagrekken fra periodene kambrium, ordovicium og silur er omtrent 2000 m tykk, og bergartene kan grovt deles i to. Den nederste halvdelen består for det meste av leirskifer og kalkstein som spenner i alder fra tidlig kambrium til sen silur. Den øverste halvdelen består hovedsakelig av sandsteiner fra sen silur. På slutten av karbontiden begynte mantelen under Oslofeltet å stige oppover. Det førte til at det oppsto strekkspenninger i den overliggende skorpa, noe som førte til at det ble dannet nord- sørgående forkastninger, og skorpa sank inn. Disse hendelsene var forbundet med kraftig vulkansk aktivitet, og lava fløt ut på overflaten og størknet. Lavabergartene i Oslofeltet er av to hovedtyper; rombeporfyr og basalt. Store mengder magma størknet også i dypet som granitt og syenitt. Den mest kjente intrusive bergarten i området er larvikitt. De forskjellige bergartstypene i Oslofeltet gir også karakteristiske landskapsformer. Der hvor vi har kambro-siluriske sedimentbergarter finner vi de beste jordbruksområdene. Lavabergartene står frem som åser med flate topper avgrenset av bratte skrenter. I områder med dypbergarter finner man mer avrundete koller. 8 Figur 5 viser utviklingen av Oslofeltet. De viktigste bergartene i Oslofeltet: - Leirskifer: bygd opp av leirmineraler som lett kan splittes i små flak. - Kalkstein: består hovedsakelig av kalkspat. - Sandstein: hovedkomponenten er kvarts. - Rombeporfyr: inneholder store plagioklas-krystaller. - Basalt: den vanligste dagbergarten. Hovedkomponentene er plagioklas og pyroksen. - Granitt: den vanligste dypbergarten. Inneholder krystaller av kvarts og feltspat. - Syenitt: en dypbergart med alkalifeltspat som hovedkomponent. Kan inneholde små mengder kvarts, plagioklas og nefelin. 9 Som man ser er det sandstein og granitt som har det største kvartsinnholdet i Oslofeltet. Det er derfor disse to som kan brukes som reservoarbergart i et eventuelt HDR-prosjekt. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 7

13 Figur 5 Utviklingen av Oslofeltet. Linjen M som er markert på alle figurene indikerer Moho, grensen mellom skorpa og mantelen. Steg 1: Slutten av karbontiden. Mantelen begynner å stige oppover. Får dannet sprekker på overflaten på grunn av strekkspenninger i jordskorpa. Steg 2: Mantelen kommer enda høyere opp og lava begynner å strømme opp til overflaten. Vulkansk aktivitet og spredning av skorpa. Steg 3: Nedre perm. Begynnende fase av grabendannelsen. Oppsprekking i jordskorpa. Fortsatt vulkansk aktivitet med lava som strømmer ut på overflaten og størkner. Basalt. Steg 4: Perm. Dannelse av riftsonen. Halvgraben på grunn av innsynkning på venstre side. Stadig spredning av skorpa. Steg 5: Kontinuerlig innsynkning og bassengdannelse. Redusert vulkansk aktivitet. Steg 6: Mesozoikum til nå. Erosjon av overflaten. Synkende, men episodisk, aktivitet. 10 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 8

14 5 Hva er Hot Dry Rock? HDR-konseptet er en metode for å utnytte den geotermiske gradienten i jordskorpen. Enkelt sagt kan man si at man borer dype hull og utnytter den varmen vi har nede i hullene. Dybden på hullene er avhengig av hva varmen skal brukes til. Man borer to eller flere hull ned til et dyp der berggrunnen har en temperatur på C. Hullene må ha en viss avstand fra hverandre og det må være en forbindelse mellom dem. Denne forbindelsen kan enten være naturlige sprekkesystemer eller kunstige sprekker laget ved hydraulisk splitting. Man pumper så kaldt vann nedi det ene hullet. Vannet går igjennom sprekkene, der det varmes opp av bergartene. Det returneres så til overflaten gjennom et annet borehull ved å bruke en pumpe hvis ikke det naturlige trykket er høyt nok til å frakte vannet opp til overflaten. Etter å ha utnyttet varmen i vannet, sirkuleres det på nytt gjennom den varme bergarten for å hente mer varme. Formen som HDR-reservoaret skal ha bestemmes ut fra den lokale geologien og spenningene i området. Dersom man har brukt hydraulisk splitting, vil reservoarets form også avhenge av trykkene som er brukt under splittingen. Man bruker seismikk for å finne størrelsen og dimensjonene på reservoaret. De seismiske dataene brukes så som en slags guide for hvor man eventuelt skal plassere nye brønner i forhold til den første brønnen. I et ideelt HDR-reservoar skal det være flere mulige strømningsveier for fluidet mellom injeksjons- og produksjonsbrønnene. Når vi henter varme fra dypet vil området rundt borehullet kjøles ned over tid. Etter år vil vi ikke kunne hente ut energi like effektivt lenger. Ved stopp i uttak av energi vil varmen bygge seg opp igjen, så etter nye år vil området være operativt for nye varmeuttak igjen. 11 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 9

15 6 Anvendelse av HDR Hot Dry Rock anvendes hovedsakelig til to formål: - produksjon av varme - produksjon av elkraft 6.1 Produksjon av varme Man kan enten bruke varmen direkte eller la varmen gå gjennom en varmepumpe for enda bedre utnyttelse. Ved bruk av HDR til oppvarming bruker man temperaturer fra 40 C og oppover. Dersom den geotermiske gradienten er på rundt 25 C per kilometer, tilsvarer dette et dyp på minimum 1800 meter. For å bruke HDR til oppvarming, pumper man kaldt vann ned i ett hull og tar varmt vann ut fra et annet hull. Etter å ha tatt ut varmen fra vannet pumpes det avkjølte vannet ned på nytt. Rikshospitalet i Oslo har vært et pilotprosjekt i Norge for oppvarming fra HDR, men det har oppstått en rekke problemer her, i første rekke i forbindelse med boring av så dype hull i harde bergarter. Se figur under for skisse av varmeanlegget til Rikshospitalet. Figur 6 Bruk av varme fra HDR på Rikshospitalet. 12 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 10

16 6.2 Produksjon av elkraft Ved bruk av HDR til produksjon av elkraft må man ha temperaturer fra 150 C og oppover for direkte bruk av dampen i turbin. Dette tilsvarer meget store dyp, og utfordringen her ligger ofte i å bore disse dype hullene. Det er både komplisert, tidkrevende og ikke minst veldig kostbart. Ved et slikt dyp vil vannet vi pumper ned bli til overopphetet damp, som så brukes til produksjon av elektrisk kraft. Dersom man skal produsere elkraft fra HDR legger man gjerne dette til områder med ekstra høy geotermisk gradient, slik at man raskere oppnår ønsket temperatur ved boringen. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 11

17 7 HDR-historie og prosjekter i Europa 7.1 HDR-historie Ideen bak HDR var opprinnelig å finne alternative energikilder for fremtiden, når de fossile brenslene er oppbrukt. HDR-konseptet er i utgangspunktet relativt enkelt, men det er utviklingen av tilhørende teknologi som har tatt betydelig lenger tid enn forventet. Man startet å forske på HDR allerede tidlig på 1970-tallet. Etter mye arbeid på og 1980-tallet kom man frem til at det er mulig å utnytte HDR-energi. Verdens første HDR varmefabrikk ble utviklet i Fenton Hill i USA mellom 1974 og Et lite geotermisk reservoar ble laget av hydraulisk splitting ved dyp på rundt 3000 m og temperatur på rundt 185 C. Fra 1978 til 1980 ble det utført mange eksperiment der vann ble sirkulert gjennom reservoaret. I 1980 begynte man arbeidet med et mye større, varmere og dypere HDR-system i Fenton Hill. Etter seks år med boring og frakturering var det andre HDR-reservoaret i Fenton Hill ferdig. Dette reservoaret var omtrent 200 ganger større enn det første. Det var lokalisert på rundt 3500 meters dyp og temperaturen var på mellom 220 og 240 C. 13 Det praktiske potensialet til HDR-teknologi ble demonstrert gjennom en serie strømningstester som ble utført fra 1992 til 1995 på pilotfasiliteten til HDR på Fenton Hill. Testene viste at energi kan ekstraheres fra HDR i betydelige mengder over begrensede tidsperioder. Vi vil nå se nærmere på hvordan utviklingen av HDR har foregått i Europa. 7.2 HDR prosjekter i Europa I Europa har det blitt forsket på Hot Dry Rock siden midten av 1970 tallet 13. I dette avsnittet skal vi gå litt nærmere inn på følgende HDR-prosjekter som det har blitt arbeidet med i denne delen av verden: - Bad Urach i Tyskland - Falkenberg i Tyskland - Fjällbacka i Sverige - Soultz i Frankrike Eksperter i Team våren 2002 NTNU 12

18 På kartet under kan man også se andre europeiske HDR-prosjekt. Figur 7 HDR-prosjekter i Europa Bad-Urach i Tyskland Dette prosjektet varte fra 1977 til En av hensiktene med prosjektet var å undersøke muligheten for utnyttelse av geotermisk energi gjennom Hot Dry Rock. Man ønsket også å undersøke hvordan man kunne utnytte varme aquiferer til oppvarmingsformål. Prosjektet ble iverksatt rundt 50 km sør for Stuttgart i Tyskland. Tidligere arbeid i området hadde bestått av omfattende geofysiske og geologiske undersøkelser. Det var blitt boret to undersøkelsesbrønner på 800 meter (Urach I og II). Prosjektet startet med at man boret en tredje brønn, Urach III, som var på hele 3334 meter. Det tok 231 dager med boring å nå dette dypet. Denne brønnen skulle være en undersøkelsesbrønn, og 1700 meter av den var i en krystallinsk bergart. Under boringen ble det tatt mange kjerneprøver av den krystallinske bergarten. Mellom mai og august 1979 ble det utført en rekke stimuleringer med fluidsirkulasjon, der man brukte en viskøs gelé som sirkulasjonsfluid. Totalt ble det utført tolv slike tester, og de mest suksessfulle testene varte i henholdsvis 6 og 12 timer. Temperaturgradienten i Urach III borehullet ble beregnet til 49 C/km for dypet 400m 1500m og 30 C/km for resten. Man er ikke sikre på hvorfor gradienten er så høy øverst i brønnen, men en teori er at varmt vann stiger opp i berget og gjør gradienten lavere ved store dyp. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 13

19 Ved hjelp av logging og kjerneprøver fant man ut at området er tilfeldig oppsprukket og at det ikke finnes noe typisk nettverk av sprekker. Man fant også ut at formasjonen er elliptisk formet og strekker seg over en distanse på 60 km Falkenberg i Tyskland Dette prosjektet foregikk fra 1978 til I prosjektet skulle man stimulere en sprekk man antok var kunstig. Sprekken ble stimulert fra brønnen HB4a ved et dyp på 450 meter. Formålet med prosjektet var at man ønsket å utføre hydromekaniske eksperimenter med høy grad av observasjonskontroll, som igjen ville være relevant for forståelsen av HDR systemer. Det ble boret flere andre brønner i et mønster over sprekken. Brønnene ble plassert slik at vann kunne sirkuleres gjennom sprekken, og man kunne utføre hydrauliske og bergmekaniske forsøk. Ved slutten av prosjektet var totalt antall brønner 8, og disse var boret over et område på 100 ganger 100 meter. Ut fra kjerneprøver og borehull-logger fant man ut at det eksisterte tre sprekkingssystemer i bergarten. To systemer i øst-vest retning, og ett system i nord-sør retning. I enkelte intervaller var formasjonen helt fri for sprekker, men i de områdene man hadde sprekker, var det liten avstand mellom dem. Falkenberg prosjektet beviste blant annet at hydraulisk trykk alene kan holde sprekker åpne Fjällbacka i Sverige Lokaliteten her ligger nord i Uddevalla på vestkysten av Sverige. Her finner man utløpet til en formasjon som kalles Bohus-granitten. Fjällbacka prosjektet ble startet i 1984 som en feltstudie for studering av hydromekaniske aspekter for HDR-reservoarutbygging, og for å gi svar på hydrogeologiske spørsmål. Tre borehull, på henholdsvis 70, 200 og 500 meter ble først boret for å karakterisere reservoaret. Det ble så utført en rekke forsøk. Man gjorde blant annet en rekke injeksjonstester for å evaluere responsen til den urørte bergartsmassen. Deretter utførte man mikroseismikk og strømningstester. Man fant betydelige sprekker og sprekkingsområder. De fleste sprekkene var vertikale, men det ble også funnet horisontale sprekker. De vertikale sprekker hadde en lengde på 5 til 15 meter, mens de horisontale var betydelig kortere med sine 2 til 4 meter. Basert på eksperimentene og de tilhørende analysene var det mulig å bestemme den hydromekaniske oppførselen til et HDR-reservoar Soultz i Frankrike Planleggingen av dette prosjektet startet i 1986, og man startet boringen i Da boret man en letebrønn på 2000 meter, hovedsakelig i granitt. På dette dypet var temperaturen 140 C og man oppdaget at det var små naturlige sprekker i bergarten. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 14

20 Noen år senere fortsatte man boringen av denne brønnen ned til 3600 meters dyp. Her var temperaturen 159 C og man fant permeable sprekker, det vil si sprekker som hadde god evne til å transportere fluid. Figur 8 viser boreriggen som ble brukt i Soultz-prosjektet. Figur 8 Boreriggen som boret første brønn under HDR-prosjektet i Soultz. 16 I 1995 begynte man å bore brønn nummer 2. Denne var på 3876 meter og hadde på dette dypet en temperatur på 168 C. Man testet denne brønnen og fant ut at den hadde så og si de samme egenskapene som den første brønnen som ble boret. Man estimerte at brønnene hadde en termisk levetid på flere århundrer. I 1998 fortsatte man boringen av brønn nummer 2. Det ble da boret ned til 5020 meter og 198 C, uten at det oppstod noen store problemer. Brønnen ble komplettert, det vil si at det utstyret man trenger for å bruke den til sitt formål ble installert. Totalt er det nå boret 6 hull. De to dypeste brønnene brukes til tester for varmeuttak og for hydrauliske tester, mens de fire andre er for å observere og overvåke forholdene. Ut i fra undersøkelser som er blitt utført opptil 1 km rundt borehullene, har man funnet ut at nettverket av sprekker ser ut til å være stabilt og ha de nødvendige egenskapene for energiutnyttelse av HDR-reservoaret. En sirkulasjonstest med en varighet på flere måneder viste at det er mulig å kontinuerlig sirkulere rundt 25 l/s med vann ved en temperatur på over 140 C mellom to borehull med 450 m avstand uten noe vanntap. For å få til dette trenger man bare 250 kw pumpe effekt, mens den termiske effekten man får tilbake er på hele 10 MW th. Erfaringer har vist at en slik sløyfe i stor grad kan automatiseres og drives uten store innvirkninger på miljøet. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 15

21 De lovende resultatene fra testene av området har ført til at det nå er foreslått å fortsette prosjektet med å bygge et prøveanlegg for elektrisitetsproduksjon, der HDR som energikilde skal utnyttes. 17 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 16

22 8 Landseismikk Kort fortalt går seismikk ut på at en kilde sender en puls ned i jorda, og en mottaker tar i mot denne pulsen etter at den har blitt reflektert fra en laggrense i undergrunnen. Dette kan enkelt skisseres slik: Figur 9 Skisse av seismisk bølge-propagering. 19 På denne måten får man dannet seg et geologisk bilde av det som skjuler seg i undergrunnen, noe som er viktig før man kan bore brønner. Ikke bare får man se hvordan laggrenser, forkastninger og folder ligger i undergrunnen, men man kan også bestemme bergartstypene. Dette er viktig da ikke alle bergarter egner seg som reservoar i HDR-prosjektene, og dessuten blir boreprosessen enklere når man vet hva som venter i dypet. I seismikk er det viktig å ha et bra forhold mellom signal og støy. Dette for at ikke signalet skal drukne i støyen og dermed gi dårlige målinger. Støy i seismikk kan være både støy fra maskiner og mennesker, i tillegg til trykkbølger som kan bre seg langs overflaten i det pulsen blir sendt ut. Også vinden kan påvirke signalene. Dette er uønsket i seismikk. I landseismikk kan man velge mellom to typer kilder; eksplosiver (dynamitt) og vibrerende kilder (vibrator). Bruker man dynamitt borer man et hull i jorda der man legger sprengstoffet, og i det man fyrer av vil pulsen bre seg i ulike retninger i undergrunnen. Hvor dypt man borer er avhengig av lokale forhold. Dynamitt har blitt plassert på over 50 meters dyp, men vanligvis er skuddpunktet et sted mellom 6 og 30 meter under jordoverflaten. 18 Bruker man vibrator står en maskin på overflaten og rister, og signalet blir sendt ned i jorda. Begge disse to metodene å gjennomføre seismiske undersøkelser på har sine fordeler og ulemper som vi nå skal gå litt grundigere inn på. 8.1 Dynamitt Ved å bruke dynamitt som kilde får man et sterkt, kort signal. Teoretisk sett er dette det perfekte inngangssignalet, da man ut fra dette kan finne ut hvordan et bredt spekter av frekvenser blir reflektert fra undergrunnen. Det sterke signalet fra dynamitten gjør også at forholdet mellom signal og støy blir bra. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 17

23 Sammenlignet med vibratorer er dynamitt billig i innkjøp og kan brukes over alt, også i myrog fjellområder der det ikke er mulig for vibratorer å komme frem. I tillegg påvirkes miljøet lite, da sprengstoffet blir gravd et stykke ned i jorda for å få best mulig utnyttelse av signalet. Den store ulempen med dynamitt er at det er farlig. Selv om man bruker personer med lang erfaring innen sprengning kan det fort skje ulykker dersom ikke utstyret blir behandlet på riktig måte. Det at man må bore hull for å få plassert dynamitten gjør også at en i utgangspunktet billig kilde kan bli dyr. I enkelte fjellområder må man også ta i bruk helikopter for at boreriggen skal kunne utføre sine oppgaver. Derfor blir dynamitt sett på som en dyr måte å utføre seismikk på. Et annet problem dukker opp dersom det oppstår feil når man avfyrer dynamitten. Dette vil forsinke undersøkelsen, da man må vente på at skuddpunktet blir boret på nytt og ny dynamitt plassert og ladet. Boring for å få plassert dynamitten. All dynamitten har blitt plassert og det er klart for avfyring Etter avfyring Figur 10 Gangen i en seismisk undersøkelse på land ved bruk av dynamitt som kilde. 19 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 18

24 8.2 Vibrator Bruk av vibrator som seismisk kilde har mange fordeler. Først og fremst er det en billig måte å gjennomføre seismiske undersøkelser på, siden dette er en flyttbar kilde som står på overflaten. Man slipper med andre ord boreprosessen og eventuelt bruk av helikopter. Kilden er også repeterbar, da man selv bestemmer inngangssignalet, i motsetning til dynamitt der man bare bruker en viss mengde sprengstoff. Dette gjør at dersom man har problemer med et skuddpunkt er det ikke noe problem å gå tilbake og skyte på nytt, med identisk signal. Energien i skuddet er dessuten fokusert i de frekvenser som jorda returnerer. Å gjennomføre seismiske undersøkelser ved bruk av vibrator som kilde er en rask metode. Spesielt gjelder dette i ørkenområder og flatt terreng, der det er lett å forflytte seg. I åpent terreng har den dessuten liten påvirkning på miljøet siden det er lett å ta seg frem der. Vibrator blir også foretrukket i bebodde områder, da denne blir sett på som tryggere enn dynamitt. Selv om fordelene med vibrator er mange fins det også enkelte ulemper. Det er snakk om store, tunge maskiner (se Figur 11), og i sensitive områder vil disse kunne ødelegge naturen. Størrelsen, og det at man må kjøre maskinen fra sted til sted, gjør at det er umulig å bruke vibrator i myr- og fjellområder og steder med tett vegetasjon. Figur 11 En seismisk vibrator gjennomfører undersøkelser. 20 Hvilken metode man skal bruke i forbindelse med kartlegging av undergrunnen i et HDRprosjekt kommer an på området rundt anlegget. Men siden HDR-prosjektene ofte er i tett befolkede områder er det nok å foretrekke å bruke vibrator, da denne er mest gunstig for miljøet. 21 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 19

25 9 Boring av HDR-brønner Prinsippet og fremgangsmåten for boring av en HDR-brønn er så å si det samme som for boring av en brønn i forbindelse med utvinning av olje og gass. Samme teknikk og samme utstyr benyttes. Boring av en dyp brønn er svært kostnadskrevende og vanskelig fordi vi ikke vet hva som ligger foran den roterende borekronen. Ved utbygging av et HDR-anlegg utgjør selve boringen hele 90 % av de totale investeringskostnadene. 22 Dersom man klarer å senke borekostnadene vil nok langt flere HDR-anlegg enn det som finnes i dag være lønnsomme å bygge ut. For å kunne produsere elektrisitet fra HDR må vi som tidligere nevnt ha en temperatur på minimum 150 C for å kunne bruke det varme vannet direkte i turbinen. Dybden på hullet avhenger av den geotermiske gradienten. Det lønner seg å legge brønner til områder med høy geotermisk gradient, fordi det da går raskere å nå ønsket temperatur. Den geotermiske gradienten varierer fra område til område, og avhenger blant annet av bergartens varmeledningsevne og varmekapasitet. Ved boring av HDR-brønner oppnår man temperaturer så høye som C, noe som utgjør en stor påkjenning for boreutstyret. De forskjellige komponentene man har i en boreoperasjon har ulike temperaturbegrensninger, og ved så høye temperaturer vil vi for enkelte av komponentene nærme oss disse grensene. Dersom man skulle overstige anbefalte maksimumstemperaturer som er satt for utstyret, stilles det store krav til nedkjøling og smøring av utstyret. Mislykkes dette vil det få enorme konsekvenser for boreoperasjonen. Under boring benyttes boreslam, som har følgende funksjoner: - Renske hullet og transportere borkaks opp til overflaten - Kjøle ned og smøre borestrengen - Holde det hydrostatiske trykket så høyt at eventuelle fluider i bergarten ikke strømmer inn i brønnen. Ved valg av boreslamtype tar man blant annet utgangspunkt i hvilke typer formasjoner det skal bores i, og hvilke temperaturer vi kommer til å utsette utstyret for. Ved høye temperaturer har boreslam en tendens til å bli geléaktig, samtidig som noe av det vil fordampe. Når man borer en HDR-brønn på over 100 C må man derfor bruke rikelig med boreslam, og slammet må være tyntflytende slik at man unngår at det blir geléaktig. 23 Det finnes hovedsakelig to aktuelle metoder for boring av HDR-brønner: - Tradisjonell rotasjonsboring - Boring ved bruk av Coiled Tubing (CT) Vi vil nå komme nærmere inn på disse to metodene, og angi fordeler og ulemper ved bruk av dem. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 20

26 9.1 Tradisjonell rotasjonsboring Det er denne metoden som hittil har dominert de aller fleste geotermiske brønnene. Ved bruk av denne metoden leier man en rigg, som da er utgangspunktet for boringen. Man begynner boringen med en stor borekrone. Når denne skal byttes ut, trekkes borestrengen ut av hullet og foringsrør settes og sementeres fast for å unngå at borehullet kollapser. Man borer så neste intervall av hullet med en noe mindre borekrone, og slik fortsetter man helt til ønsket dybde er nådd. Figur 12 Borerigg for tradisjonell rotasjonsboring. 24 Den største fordelen med rotasjonsboring er at metoden er utprøvd og velkjent. I tillegg er utstyret veldig robust, og skal være i stand til å tåle store påkjenninger. Man vil også oppnå høye strømningsrater i borehullet, noe som er en fordel med tanke på nedkjøling av utstyret under boring. Den største ulempen ved bruk av tradisjonell rotasjonsboring er at man har behov for en rigg (se Figur 12). Den er ofte vanskelig å transportere, og ikke minst veldig dyr å leie. I tillegg bruker man mye tid på å trekke borestrengen inn/ut av hullet i forbindelse med skifting av borekrone, slik at den totale boretiden (og dermed tiden for riggleie) blir lang. 9.2 Coiled Tubing Coiled Tubing er en nyere metode. Den er svært kostnadsreduserende, fordi man her, i motsetning til ved tradisjonell rotasjonsboring, ikke trenger å leie inn noen rigg. CT er en kontinuerlig streng av rør som er surret rundt en trommel (se Figur 13). Man slipper altså å skru borerør sammen når man borer nedover, og så skru dem fra hverandre igjen når man trekker strengen ut av hullet igjen. Dette er svært tidsbesparende, og dermed også veldig kostnadsbesparende. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 21

27 Figur 13 Coiled Tubing, kontinuerlig borestreng rundt en trommel. 25 Likevel har også CT sine begrensninger. Man kan ikke ha så mye vekt på borekronen som for en konvensjonell borestreng. I harde bergarter, som vi har mye av i Norge, kreves det tung vekt på kronen for å komme nedover i berget. Dette vil dermed utgjøre en klar ulempe sammenlignet med tradisjonell rotasjonsboring. I tillegg vil borehullet få en liten diameter sammenlignet med konvensjonell boring. Dette betyr blant annet at man kan la mindre væske strømme gjennom borehullet. I tillegg kan borestrengen blir strukket, og da kan det være vanskelig å vite nøyaktig hvor i borehullet man er. 9.3 Oppsummering I forhold til slik situasjonen er per i dag må borekostnadene ned for at det skal bli lønnsomt å bygge ut flere HDR reservoar. Dette kan man oppnå ved å dra nytte av erfaringene man gjør seg etter hvert, og selvfølgelig også gjennom tekniske forbedringer. Ved å bruke CT istedenfor tradisjonell rotasjonsboring har man allerede senket kostnadene betraktelig fordi man slipper riggleie. Som nevnt tidligere kan ikke CT ha så mye vekt på borekronen som vanlig rotasjonsbor. Her i Norge, der man borer i svært harde bergarter, vil dette helt klart utgjøre en begrensning. I forbindelse med det nye Rikshospitalet brukes det varme fra HDR til oppvarming. De første 1000 meterne her ble det benyttet tradisjonell rotasjonsboring, mens man deretter gikk over til bruk av Coiled Tubing, noe som for øvrig også introduserte bruken av denne boremetoden i Norge. 26 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 22

28 10 Hydraulisk splitting Først trodde man at de dype krystalline bergartene var tørre og uten sprekker. Nærmere undersøkelser viste imidlertid at de krystalline bergartene inneholdt naturlige sprekker og sprekkesystemer som var vannførende. Dette kan spille en vesentlig rolle i væskesirkulasjonen til HDR-systemet. Likevel vil det kunne være nødvendig å lage nye kontrollerte sprekker som gir en forbindelse mellom brønnene. Dette gjøres ved hydraulisk splitting. Formålet med hydraulisk splitting er å lage et stort varmevekslingssystem ved hjelp av sprekker. Hydraulisk splitting er en teknikk som danner sprekker eller sprekkesystemer ved injeksjon av væske under høyt trykk. Teknikken ble opprinnelig utviklet av oljeindustrien for å øke utvinningen av reservoarene, men teknikken ble videreutviklet til en metode for å bestemme bergspenninger. En seksjon av brønnen deles av ved hjelp av pakkere, og vanntrykket i seksjonen økes til det omliggende berget sprekker. For å holde sprekkene åpne etter at trykket reduseres benytter man for eksempel glasskuler. 27 Prinsippet er vist i Figur 14. Figur 14 Prinsippet for hydraulisk splitting. 27 Hensikten med hydraulisk splitting er at sprekkene skal treffe den andre brønnen for å lage et varmevekslingssystem. Sprekkenes orientering i bergmassen er avhengig av den opprinnelige spenningstilstanden i det omgivende berget og av bergets mekaniske egenskaper. Man kan derfor først utføre hydraulisk splitting for å bestemme bergspenningene i fjellmassen. Ut i fra disse resultatene kan man så beregne om man i det hele tatt vil kunne klare å lage en Eksperter i Team våren 2002 NTNU 23

29 forbindelse mellom brønnene. Som utgangspunkt betraktes en brønn med en spenningstilstand som vist på Figur 15. Figur 15 Spenningssituasjon. 27 Bruddplanet vil i utgangspunktet være vertikalt og parallelt med σ H1, fordi den følger minste motstands vei. Hvordan bruddet vil spre seg videre innover i formasjonen vil imidlertid være avhengig av vertikalspenningen, σ v, og man kan skille mellom to hovedtilfeller: Tilfelle I) σ v er ikke minste hovedspenning: Figur 16 σ v er ikke minste hovedspenning 27 Her vil sprekken spre seg vertikalt innover i formasjonen, idet den følger minste motstands vei, det vil si normalt på hovedspenningen, σ H2. Dette er illustrert i Figur 16. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 24

30 Tilfelle II) σ v er minste hovedspenning: Figur 17 σ v er minste hovedspenning 27 Her vil sprekken begynne å spre seg vertikalt. Etter hvert som en kommer utenfor influenssonen fra hullet, vil sprekken igjen forsøke å følge minste motstands vei. Sprekken vil derfor vri seg, og vil etter en tid spre seg normalt på minste hovedspenning. Det er i dette tilfellet σ v, og sprekken vil spre seg horisontalt som vist på Figur 17. På grunnlag av erfaringer fra oljebransjen kan man anta at de horisontale spenningene er størst ved dyp på 5000 meter. Boring i granitt viser også at de horisontale spenningene er større enn de vertikale. Dette vil gi en gunstig orientering av bruddplanet, og sjansen for å treffe den andre brønnen er større. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 25

31 11 Geotermisk kraftproduksjon Det finnes i dag mange kraftverk i verden som bruker geotermisk energi som kilde. I 1999 var det installert en kapasitet på 8 GW effekt, og det ble produsert 49 TWh. 28 Det meste av dette blir produsert i USA, Filippinene og Indonesia. Det finnes også anlegg i Italia, Afrika, Sør- Amerika og Japan. Til sammenligning er den totale elektrisitetsproduksjonen i Norge omtrent 118 TWh. Alle kraftverk for geotermisk kraftproduksjon har de samme grunnprinsippene. Varmt fluid fra jorden blir pumpet opp til overflaten. Her blir fluidet så kjørt gjennom en turbin. Denne turbinen driver så igjen en generator som omdanner den mekaniske energien til elektrisitet. Avhengig av hvilken temperatur og tilstand fluidet har, er det ulike måter å produsere den mekaniske energien på. Dersom fluidet er i dampfase, blir det brukt et tørr-damp kraftverk (se Figur 18). Dersom fluidet er i tofase (væske og gass), blir væsken først fordampet før den blir brukt i dampturbinen. Dette kalles flash-steam kraftverk (se Figur 19). Hvis fluidet derimot er i væskefase, blir varmen overført til et annet medium i en varmeveksler. Dette mediet blir så brukt i en turbin for å produsere elektrisitet. Dette kalles binære anlegg (se Figur 20) Tørr-damp kraftverk Når fluidet er i dampfase kan dampen bli brukt direkte i en dampturbin. Dampen som blir hentet opp fra bakken er overopphetet, og kan ha en temperatur på opptil 400 C. Vanlig temperatur er C. Trykket er 0,8-0,9 MPa. 29 Turbinen driver så en generator som omdanner den mekaniske energien til elektrisitet. For å øke trykkfallet over turbinen, blir dampen kondensert etter turbinen. Dette blir gjort i kjøletårn, på samme måte som i vanlige kraftverk for fossile brensel. Kaldt vann blir ført fra kjøletårnet til en varmeveksler. I varmeveksleren tar det kalde vannet opp varme fra dampen ut fra turbinen. Dampen vil da kondensere, mens det kalde vannet blir varmet opp. Kondensatet blir ført tilbake til brønnen. Det varme vannet blir ført til kjøletårnet, og blir avkjølt av luften der. Ut fra kjøletårnet kommer det vann og vanndamp. Dersom det kondenserte vannet inneholder ikke-kondenserbare gasser, vil det føre til at damptrykket ut fra turbinen øker. Da vil effekten reduseres. Selv om denne typen anlegg er de billigste å bygge, er få slike anlegg i verden. Årsaken til det er at man trenger damp med høy temperatur. Slike områder er det få av. De fleste anlegg bygget for denne teknologien bruker damp fra geysirer. Eksperter i Team våren 2002 NTNU 26

32 Figur 18 Modell av tørr-dampkraftverk Flash-steam kraftverk Dersom fluidet er i tofase når det hentes opp fra bakken, må det gjøres om til damp før det kan brukes i dampturbinen. Dette gjøres ved flashing. Fluidet, som har en temperatur på C og et trykk på 0,5-0,6 MPa, blir sprayet inn i en flash-tank. Her er trykket lavere enn i reservoaret hvor det er hentet. Noe av fluidet vil da fordampe. Dampen tas ut i toppen av tanken, og ført over til en høytrykksturbin. Det som ikke blir fordampet i flash-tanken, tas ut som væske ut i bunnen. Denne blir ført over i en tank med enda lavere trykk. Mer av væsken vil da fordampe. Dampen tas ut i toppen av tanken, og ført over til en lavtrykksturbin. Resten av fluidet som ikke fordampes blir ført tilbake til brønnen. I turbinene blir den termiske energien i dampen omgjort til mekanisk energi. Etter turbinene blir alt fluidet kondensert i en kondensator. Kondensatoren henter kjølevann fra et kjøletårn. I det kondenserte vannet kan det nå være en del ikke-kondenserbare gasser. Dette kan være karbondioksid (CO 2 ), hydrogensulfid (H 2 S) og ammoniakk (NH 3 ). Disse gassene blir så tatt bort fra det kondenserte vannet og resten av vannet blir reinjisert til brønnen. Den mekaniske energien fra turbinen blir omgjort til elektrisk energi i en generator. Siden temperaturen og trykket er lavere enn i et tørr-damp kraftverk, vil effekten bli noe redusert. For å få like mye elektrisitet ut trengs det mer damp. Figur 19 Modell av flash-steam kraftverk. 31 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 27

33 11.3 Binære anlegg Det meste av de geotermiske ressursene på jorda består av vann med moderate temperaturer og lavt trykk. Vannet er da i væskeform, og kan ikke brukes direkte i en dampturbin. I stedet må man bruke et binært anlegg. I binære anlegg brukes vannet som tas opp fra brønnen til å varme opp et annet fluid. I brønnene har man pumper som pumper opp vannet. Pumpene holder vannet i væskefase, og øker massestrømmen fra brønnen. Uten pumpe vil det kun være trykket i brønnen som skaper massestrøm. Varmen fra vannet blir overført til et arbeidsmedium i en varmeveksler. Etter varmeveksleren blir vannet ført tilbake til brønnen. Arbeidsmediet har lavere fordampningstemperatur enn vannet, og vil derfor være i gassform ut av varmeveksleren. Fra varmeveksleren blir arbeidsmediet ført over til en høytrykksturbin. Her blir den termiske energien gjort om til mekanisk energi. Etter turbinen blir arbeidsmediet kjølt ned i en luftkjølt kondensator. Etter kondensatoren er arbeidsmediet i væskefase. Arbeidsmediet blir så pumpet til varmeveksleren, hvor det på nytt tar opp varme og fordamper. Den mekaniske energien fra turbinen blir gjort om til elektrisitet i en generator. Anleggene kan brukes for temperaturer helt ned til 85 C. Selv om virkningsgraden til binære anlegg er lav, helt ned til 2,8 %, er det den mest kostnadseffektive måten å omdanne geotermiske ressurser ved lave temperaturer til elektrisitet på. Figur 20 Modell av binært anlegg Arbeidsmedier Arbeidsmediene i de binære anleggene må ha en lavere fordampningstemperatur enn vannet som blir hentet fra bakken. Siden mediet går i en lukket krets, vil ikke noe slippes ut til atmosfæren. Medier som er brukt er pentan, butan, isobutan, propan, andre hydrokarboner og ammoniakk. I tillegg til pumpa som pumper vann opp fra brønnen, har man også en pumpe som holder arbeidsmediet i sirkulasjon. Man trenger store mengder vann, slik at pumpene blir store. Totaleffekten ut fra kraftverket vil derfor bli redusert med opptil 30%. 29 Eksperter i Team våren 2002 NTNU 28