Eksperter i Team våren 2001 Verdiskapning fra Geologiske Ressurser Faglig Rapport HDR Status og Muligheter Forfattere: Lillian Todnem, Sture Rogde, Thorfinn Håkonsen og Ruben Janssen
FORORD Denne rapporten er skrevet i forbindelse med faget Eksperter i Team våren 2001, i landsbyen Verdiskapning fra geologiske ressurser tilknyttet institutt for Geologi og Bergteknikk. Emnet vi ble tildelt var Hot Dry Rock (HDR). Ingen av gruppens medlemmer hadde direkte bakgrunn fra dette emnet, men alle hadde faglig bakgrunn fra geologi, som er grunnleggende for å forstå problemer rundt HDR-teknologien. Da problemene for HDR stort sett er forbundet med fullskala prosjekter, ble arbeidet hovedsakelig et litteraturstudium. Rapporten inneholder generell informasjon om HDR, og beskrivelser av våre mer spesifikke studier. Trondheim, 2001-04-29 Sture Rogde Ruben Janssen Thorfinn Håkonsen Lillian Todnem
SAMMENDRAG Hot Dry Rock er betegnelsen på en teknologi som benyttes for å utvinne geovarme fra store dyp. Teknologien har vært utprøvd flere steder rundt om i verden. Dette har stort sette vært forskningsprosjekter, og ingen har klart å få det økonomisk drivverdig. Det forskes på flere ulike områder, og denne rapporten tar for seg delproblemstillinger rundt forundersøkelser, valg av boreteknologi, reservoarparametre og hydraulisk splitting. Rapporten inneholder også en økonomisk del, hvor det er sett på mulighetene for kommersiell utnyttelse av HDR. Utviklingen av seismikkteknologien har gjort det mulig å gjøre gode forundersøkelser som boreprosessen kan baseres på. Selv om man har klart å bore til ønskede dyp, har det vist seg å være for tidkrevende og kostbart. En kombinasjon av flere boreteknologier anses derfor som gunstig. Mest sannsynlig må boreteknologien forbedres drastisk for å nå de ønskede målene om effektivitet og lønnsomhet. For å utnytte den termiske energiressursen som finnes i reservoaret på best mulig måte må strømningskontrollen bedres og vanntapet reduseres. For å øke varmevekslingsarealet og optimalisere væskestrømmen bør hydraulisk splitting benyttes. Arbeidet med økonomien rundt et HDR-prosjekt viser at det er et stykke igjen før denne teknologien kan utnyttes kommersielt i Norge. Ved optimalisering av de enkelte bestanddelene kan HDR vise seg å bli økonomisk drivverdig i overskuelig framtid. Det er boreprisen som avgjør størrelsesorden på investeringen, så de største utfordringene er på dette feltet.
INNHOLDSFORTEGNELSE INNHOLDSFORTEGNELSE... 1 FIGURLISTE... 3 TABELL LISTE... 3 1. INNLEDNING... 4 2. GENERELL DEL... 5 2.1 HISTORISK TILBAKEBLIKK PÅ UTNYTTELSE AV GEOTERMISK ENERGI... 6 2.2 BRUK AV GEOTERMISK ENERGI PÅ VERDENSBASIS... 6 2.2.1 Direkte bruk... 6 2.2.2 Indirekte bruk... 9 2.3 INNDELING AV GEOTERMISK ENERGI ETTER TEMPERATURNIVÅET... 9 2.3.1 Laventalpikilder... 9 2.3.2 Høyentalpikilder... 10 2.4 INNDELING AV GEOTERMISK ENERGI ETTER FYSISKE FORHOLD... 10 2.4.1 Hydrotermiske systemer... 10 2.4.2 Magma... 10 2.4.3 Geopressede reservoarer... 11 2.4.4 Varmepumper... 11 3. HOT DRY ROCK... 12 3.1 TEMPERATURFORHOLD I GRUNNEN... 13 3.2 FORSKNING OMKRING HDR-TEKNOLOGIEN... 14 3.2.1 Fenton Hill... 14 3.2.2 HDR-forskning i Europa, Soultz-sous-Forets... 15 3.2.3 Camborne-School-of-Mines prosjektet... 16 4. FORUNDERSØKELSER... 17 4.1 BAKGRUNN... 17 4.2 FAKTA... 17 4.2.1 Geotermisk gradient... 17 4.2.3 Seismikk... 18 SEISMIC WHILE DRILLING TECHNOLOGY... 20 4.3 VURDERING... 21 4.4 DELKONKLUSJON... 21 5. BORING... 22 5.1 BAKGRUNN... 22 5.2 FAKTA... 22 5.2.1 Temperatur... 22 5.2.2 Boremetoder... 24 5.3 VURDERING... 27 5.4 DELKONKLUSJON... 27 6. HYDRAULISK SPLITTING... 28 6.1 BAKGRUNN... 28 6.2 FAKTA... 28 6.2.1 Det bergmekaniske grunnlaget for hydraulisk splitting... 29 6.3 VURDERING... 34 6.4 DELKONKLUSJON... 35 HDR Status og Muligheter 1
7. RESERVOAR... 36 7.1 FAKTA... 36 7.1.1 Reservoar utvikling... 36 7.1.2 Brønntesting og hydrauliske parametre... 36 7.1.3 Vanntap... 38 7.1.4 Reservoar evaluering... 39 7.2 VURDERING... 40 7.3 DELKONKLUSJON... 40 8. ØKONOMISK MODELL... 41 8.1 BAKGRUNN... 41 8.2 FAKTA OM ØKONOMISK MODELL... 41 8.3 EKSEMPLER/VURDERING... 42 8.4 VURDERING... 45 8.5 DELKONKLUSJON... 45 9. KONKLUSJON... 46 10. REFERANSER... 47 HDR Status og Muligheter 2
FIGURLISTE FIGUR 1 UTSNITT AV JORDKLODEN... 5 FIGUR 2 PROSENTVIS FORDELING AV ANVENDELSESOMRÅDER FOR DIREKTE BRUK PÅ VERDENSBASIS... 7 FIGUR 3 GEOTERMISK ENERGI TIL DIREKTE OPPVARMING I LAND MED KALDT KLIMA SOM NORGE... 8 FIGUR 4 HOVEDPRINSIPP BAK ET HDR-ANLEGG... 12 FIGUR 5 DE VIKTIGSTE PROSJEKTENES RESERVOARTEMPERATUR OG BOREDYP... 14 FIGUR 6 SEISMISK BØLGE-PROPAGERING... 18 FIGUR 7 VERTICAL SEISMIC PROFILING... 19 FIGUR 8 SEISMIC WHILE DRILLING... 20 FIGUR 9 KART UTSNITT... 23 FIGUR 10 BORESLAMS KJØLESYSTEM... 23 FIGUR 11 COILED TUBING... 24 FIGUR 12 TYPISK COILED TUBING OPPSETT... 24 FIGUR 13 UDR 5000 OVERSIKTSBILDE FRA EN BOREOPERASJON I INDONESIA... 26 FIGUR 14. HYDRAULISK SPLITTING... 29 FIGUR 15 SPENNINGSSITUASJON... 30 FIGUR 16 BRUDDUTVIKLING NORMALT MINSTE HOVEDSPENNINGSRETNING... 31 FIGUR 17 VISER HVORDAN SPREKKEN VIL BRE SEG NÅR σ V IKKE ER MINSTE HOVEDSPENNING, OG DET TILHØRENDE TRYKK/TID-DIAGRAMMET.... 32 FIGUR 18 VISER HVORDAN SPREKKEN VIL BRE SEG NÅR σ V ER MINSTE HOVEDSPENNING, OG DET TILHØRENDE TRYKK/TID-DIAGRAMMET.... 32 FIGUR 19 ILLUSTRERER HVORDAN SPREKKEN VRIR SEG NÅR σ V ER MINSTE HOVEDRETNING... 33 FIGUR 20 IDEALISERT TRYKK/TID DIAGRAM FOR HYDRAULISK SPLITTING... 33 FIGUR 21 VISER HVORDAN HDR-KONSEPTET HAR UTVIKLET SEG... 36 FIGUR 22 SKJEMATISK FREMSTILLING AV FORSKJELLIGE TRYKKTAP... 37 FIGUR 23 VISER SAMMENHENGEN MELLOM IMPEDANS OG VANNTAP... 39 FIGUR 24 NÅVERDIBEREGNING: VARIASJON AV BOREPRIS OG KWH-PRIS... 44 FIGUR 25 NÅVERDI OG BOREDYP SOM FUNKSJON AV TERMISK GRADIENT... 44 TABELL LISTE TABELL 1 FORSKJELLIGE ANVENDELSESOMRÅDER AV GEOVARME FORDELT PÅ TEMPERATURNIVÅ... 8 TABELL 2 VISER HVORDAN PRODUKSJONSTEKNIKKEN ER BESTEMT UTIFRA TEMPERATURNIVÅ.... 9 TABELL 3 VISER ELEKTRISITETSPRODUKSJON PÅ VERDENSBASIS MED FORNYBARE RESSURSER... 9 TABELL 4 TEMPERATUR BEGRENSNINGER FOR BOREUTSTYR OG MATERIALER... 22 TABELL 5 VISER RESULTATER SOM FORSKJELLIGE HDR-PROSJEKTER HAR OPPNÅDD... 40 TABELL 6 ØKONOMISK MODELL DEL 1... 42 TABELL 7 ØKONOMISK MODELL DEL 2... 43 HDR Status og Muligheter 3
1. INNLEDNING Norge har et stort behov for oppvarmingsenergi pga. det kalde klimaet. Det brukes store mengder høyverdig energi til dette formålet, som bør byttes ut med lavere former for energi. I Norge er grunnfjellet stort sett ikke-porøst og tørt. Dette gjør at Hot Dry Rock (HDR) kan bli et godt tilskudd som energikilde. Energien kan tas opp i form av elektrisitet eller direkte varme. For å få en tilfredsstillende utvinningsgrad i produksjonen av elektrisk energi kreves høye temperaturer. Utvinning av direkte varme gir en større utnyttelsesgrad av energien selv om grunnfjellet har en lavere temperatur. Prosjektet ved det nye Rikshospitalet i Oslo er det første og eneste HDR-prosjektet igangsatt i Norge. Her har de støtt på en del problemer, men med den boreteknologien de har benyttet har de også også brutt en del barrierer. HDR er en miljøvennlig energiform som det forskes mye på. Den har et stort potensiale og er tilgjengelig over alt. Dette gjør HDR til en interessant energiform for fremtiden. Rapporten inneholder en generell del om geovarme og en generell beskrivelse av HDR. I tillegg er en del av de viktigste HDR-anleggene i verden kort beskrevet. Deretter er oppgaven delt inn i ulike fordypningsemner, og hver av disse delene munner ut i delkonklusjoner. Problemstillingene er valgt ut fra gruppemedlemmenes interesseområder. Derfor er noen viktige momenter knyttet til HDR bevisst utelatt. Det er valgt å se bort i fra blant annet anlegg i dagen, dimensjonering av de ulike komponentene og teorien bak varmeveksling. Formålet med denne rapporten er å se på mulighetene for utbygging og kommersiell utnyttelse av HDR-anlegg i Norge, samt undersøke status for HDR i dag; hva er blitt gjort og hva er de største utfordringene. HDR Status og Muligheter 4
2. GENERELL DEL Den totale geotermiske energien som finnes i jordskorpen ned til 10 kilometers dyp er av White (1965) beregnet til 1,3 10 27 J, noe som tilsvarer 2,3 10 17 fat olje. Det totale energiforbruket på verdensbasis tilsvarer forbrenning av omtrent 100 millioner fat olje per dag. Dette betyr at den lagrede energien bare i jordskorpens øverste 10 km tilsvarer 6 millioner års energiforbruk med dagens nivå. Estimatet av jordskorpens samlede energireserver er en følge av rent teoretiske betraktninger, og representerer på ingen måte det som er praktisk utnyttbart. Kun en brøkdel av dette kan av rent tekniske og økonomiske grunner utnyttes av oss mennesker til energiproduksjon. Til tross for at kun en liten del kan utnyttes, gir estimatet en ide om hvilke energireserver som ligger lagret i jordskorpen. Som figur 1 viser, utgjør jordskorpa, rent volumetrisk, kun en liten del av jordkloden. Figuren viser også at temperaturen lenger inn i jorda er mye høyre enn skorpen, dette er kanskje noe man kan utnytte langt inn i framtiden, men det virker utenkelig med dagens teknologi. Figur 1 Utsnitt av jordkloden Det finnes ikke noe entydig svar på om geotermisk energi er en fornybar ressurs eller ikke. Dersom en tolker fornybar i ordets strengeste forstand, kan ikke geovarme sies å være en fornybar energiform. Den varmen som hentes opp fra grunnen vil bare kunne utnyttes en gang. Likevel vil varme hele tiden strømme fra jordens indre og ut mot overflaten som følge av de varme områdene inne i jorden samt nedbrytingen av radioaktive elementer. På lang sikt kan man tenke seg at jorden gradvis vil bli avkjølt som følge av det konstante varmetapet. Sett i lys av et menneskelig tidsperspektiv stiller forholdene seg HDR Status og Muligheter 5
noe annerledes. En nedkjøling av jorden vil ta millioner av år, slik at mange former for geotermisk energi kan regnes som fornybare. 2.1 Historisk tilbakeblikk på utnyttelse av geotermisk energi Geotermisk energi har blitt utnyttet av mennesker til alle tider der forholdene har ligget til rette for det. Eksempler på dette finnes i oldtidens Hellas og i Tyrkia der offentlige bad og sanatorier utnyttet det varme vannet som fantes naturlig i kilder i bakken. Det første kommersielle anlegget for energiutnyttelse av varme kilder i nyere tid så dagens lys i 1807 hvor rørene som ledet vannet var laget av tre. I 1827 begynte den franske ingeniøren Francesco Lardarel å bruke vanndamp fra naturlige kilder i Roscana i Italia som varmekilde i produksjonen av bor-syre. Dette erstattet forbrenning av ved som på denne tiden var mangelvare i de områdene. I California ble geotermisk energi fra området Geysers brukt til oppvarming av boliger og store offentlige bad i 1860 årene. Det første virkelige fjernvarmeanlegget der vann fra varme kilder ble benyttet som energikilde ble installert i 1892. Dette anlegget lå i Idaho og forsynte over 200 hjem og forretningsbygg med varmeenergi. I 1904 ble den første elektrisiteten fra geotermiske kilder produsert i Lardarello, Italia av Prins Ginorio-Conti. Vanndamp finnes naturlig i grunnen i dette området, og ble benyttet til å varme opp et sekundært fluid i en lukket krets som i sin tur drev turbiner for produksjon av elektrisitet. I 1905 var hele Lardarello by opplyst med strøm produsert fra disse turbinene. To generatorer med en effekt på 2570 kw hver ble satt i drift i 1915. I 1922 startet den første kraftstasjonen opp i USA hvor vanndamp som ble hentet opp fra varme kilder ble brukt til å drive turbiner. I løpet av en toårsperiode var produksjonen kommet opp i 250 kw elkraft, men ble senere stengt da det viste seg å ikke være økonomisk drivverdig. Utnyttelsen av de geotermiske ressursene på Island startet i 1920 med direkte oppvarming av drivhus fra geotermiske kilder. I 1930 startet utnyttelsen av geotermiske kilder ved Laugarnes. I takt med den teknologiske utviklingen i dette århundret har andre og mer lønnsomme prosjekter blitt satt i gang og nye konsepter blitt utviklet. I dag blir geotermisk energi benyttet til både direkte oppvarming og elektrisitetsproduksjon i sågar USA som flere andre steder i verden. Den totale produserte effekten av elektrisk kraft var per 1995 på 6.992MW e (effektiv) og utgjorde en årlig energiproduksjon på 37.952 GWh. For direkte utnyttelse av varmeenergien var den totale termiske effekten 9.047 MWh, og utgjorde 33.514 GWh i årlig varmeproduksjon. 2.2 Bruk av geotermisk energi på verdensbasis 2.2.1 Direkte bruk Direkte bruk av geotermisk energi er utbredt over store deler av verden og benyttes på mange forskjellige områder. Disse omfatter: Svømme/badeanlegg Romoppvarming inkludert fjernvarmesystemer, kjøling HDR Status og Muligheter 6
Landbruk, drivhusoppvarming og husdyrhold Sjøbruk, fiskeoppdrett Industrielle prosesser Varmepumper, både for oppvarming og kjøling De største bruksområdene for direkte bruk av geovarme er romoppvarming som står for 33% og svømme- og badeanlegg inkludert terapeutiske institusjoner som utgjør 19%. Figur 2 under viser den totale fordelingen på verdensbasis. Badeanlegg 19% Romoppvarming 33% Snøsmelting/kjøling 1% Varmepumper 12% Drivhus 14% Tørking innen landbruk 1% Landbruk 11% Industriell anvendelse 9% Figur 2 Prosentvis fordeling av anvendelsesområder for direkte bruk på verdensbasis. Tradisjonelt har direkte bruk av geovarme vært benyttet i små anlegg med få eller kun en enkelt bruker tilknyttet. I de siste årene har utviklingen gått mot utbygging av store anlegg som for eksempel til fjernvarme på Island og i Frankrike, drivhuskomplekser i Ungarn og Russland og industriområder i New Zealand og USA. Utvikling av nye og bedre varmevekslere som tillater lavere temperaturnivåer og høyt saltinnhold i vannet har også bidratt til å øke anvendelsesmulighetene for geotermiske energikilder. Dessuten har bruken av varmepumper gjort det mulig å utnytte geotermisk energi som har for lav temperatur til å kunne benyttes direkte. På verdensbasis er den totale effekten fra geovarme-anlegg med direkte utnyttelse på ca. 9000 MW, og utgjør en årlig varmeproduksjon på ca. 33000 GWh. Disse tallene fordeler seg totalt på 38 land. Temperatur [ C] Bruksområde 200-180 Absorpsjonskjøling med ammoniakk 180-160 Produksjon av papirmasse 160-140 Tørking av fiskemel Aluminiumsproduksjon 140-120 Konservering av matvarer Fordampning i sukkerraffinering 120-100 Fordampning Tørking og herding av sement Absorpsjonskjøling med litiumsbromid 100-80 Tørking av landbruksprodukter HDR Status og Muligheter 7
Tørking av stock fisk 80-60 Romoppvarming, bygninger og drivhus Oppbevaring ved kjøling 60-40 Luftkondisjonering Husdyrhold 40-20 Jordoppvarming Oppvarming av svømmebaseng Av-ising 20- Fiskeoppdrett, havbruk Tabell 1 forskjellige anvendelsesområder av geovarme fordelt på temperaturnivå Figur 3 viser bruksområder klassifisert etter temperaturnivå: >5 C I kombinasjon med varmepumpe 14% >100 Prosessvarme i industrien 9% >20- >20- Svømmebasseng 15% >50 C Romoppvarming 34% Fiskeoppdrett 13% >50 Oppvarming av drivhus 15% Figur 3 Geotermisk energi til direkte oppvarming i land med kaldt klima som Norge HDR Status og Muligheter 8
2.2.2 Indirekte bruk Den indirekte bruken av geotermisk energi gjelder produksjon av elektrisitet. 200-140 C Konvensjonell produksjon av elektrisitet ved direkte utnyttelse av dampen 150-100 C Elektrisitets produksjon ved bruk av binært anlegg Tabell 2 viser hvordan produksjonsteknikken er bestemt utifra temperaturnivå. På verdensbasis er den installerte effekten ca. 7000 MW per 1994 og årlig unyttelse på ca 38000 GWh. 15 land har installert effekt på over 10 MW hvor 6 er i-land, mens resten er u-land. Installert effekt % Produksjon per % [MW] år [GWh] Geotermisk 6456 61 37976 86 Vind 3517 33 4878 11 Sol 366 3 897 2 Tidevann 261 3 601 1 Total 10600 100 44352 100 Tabell 3 viser elektrisitetsproduksjon på verdensbasis med fornybare ressurser 2.3 Inndeling av geotermisk energi etter temperaturnivået Geotermisk energi kan deles inn på en rekke forskjellige måter avhengig av hvilke kriterier som legges til grunn. 2.3.1 Laventalpikilder Laventalpikilder er definert som områder hvor temperaturen er under 150 o C. 150 o C settes som den laveste temperaturen med hensyn på produksjon av elektrisitet dersom dampen brukes direkte inn på turbinen. Elektrisitetsproduksjon er også mulig for temperaturer ned mot 100 o C, men krever bruk av et binært anlegg der et sekundært fluid fordampes og i sin tur driver turbinen. Laventalpikilder er typisk for geologisk stabile områder som finnes blant annet i Nord-Vest-Europa. Disse kildene egner seg best til direkte bruk enten i industrielle prosesser eller til oppvarmingsformål da temperaturnivået er relativt lavt. Fjernvarmeanlegget i Paris er et eksempel på bruk av en slik laventalpikilde, hvor varmt grunnvann hentes opp og distribueres til brukerene. Grunnforholdene i slike tilfeller kjennetegnes av porøst fjell. Denne type laventalpi forekomster finnes ikke i Norge. HDR Status og Muligheter 9
2.3.2 Høyentalpikilder Forekomster med temperaturer over 150 o C defineres som høyentalpi kilder. Disse finnes blant annet i stabile geologiske områder vesentlig i granittisk fjell hvor det er høy varmefluks og stor varmeproduksjon. Slike områder finnes blant annet i Norge. Det er for denne type grunnforhold Hot Dry Rock-teknologien er utviklet med hensyn på. I denne kategorien faller også de geotermiske systemene som ligger i de geologisk aktive områdene. 2.4 Inndeling av geotermisk energi etter fysiske forhold 2.4.1 Hydrotermiske systemer Hydrotermiske systemer finnes i geologisk aktive områder og består av varmt vann eller damp under høyt trykk som er innkapslet i grunnen. Typisk for grunnforholdene er at fjellet er porøst og permeabelt, men dekket av et øvre lag som består av en impermeabel bergart. Ikke ulikt et typisk oljereservoar. Enkelte steder kan likevel den varme dampen/vannet komme opp til overflaten naturlig, og vi kjenner det som geysirer eller varme kilder. Typiske eksempler på dette finnes i California i området Geysers og på Island. Denne formen for geotermisk energi er den mest anvendte og har blitt utnyttet til alle tider. Etter hvert har teknologien gjort det mulig å utnytte slike områder med damp og vann som ligger flere kilometer under overflaten. Ved å bore ned til disse områdene kan det varme vannet/dampen lett hentes ut og brukes til energiproduksjon. Det meste av elektrisitetsproduksjonen som er basert på geotermisk energi er av hydrotermisk opprinnelse. Hydrotermiske systemer kan deles inn i to typer avhengig av vannets tilstand opp av grunnen. Dampdominert: I disse tilfellene er det tilnærmet ren vanndamp som kommer opp av grunnen. Den varme dampen kan benyttes direkte, uten bruk av separatorer eller varmevekslere. Dampen ledes inn på en turbin for kraftproduksjon eller brukes som varmekilde i industrielle prosesser og til oppvarmingsformål. Væskedominert: Disse kildene består for det meste av varmt vann i væskefase. Temperaturen på vannet opp av grunnen kan variere en god del og er avhengig av de aktuelle forholdene. Væskedominerte systemer er de mest vanlige. Vannet og spesielt dampen som hentes opp fra grunnen kan inneholde oppløste stoffer som f.eks. mineralsalter og svovelholdige forbindelser som kan være skadelige for miljøet. Dette er likevel et sjeldent problem. Et mer aktuelt problem er spillvarmen som dumpes til omgivelsene som i sin tur kan påvirke dyre og plantelivet i nærmiljøet. Dette problemet ungås i sin helhet dersom en velger reinjisering. 2.4.2 Magma Magma er smeltet eller delvis smeltet fjellmasse med temperaturer opp mot 1200 C. Flere steder i verden finnes det magma eller lommer med magma i jordskorpen i dyp på under 10 km, men bare i ustabile og geologisk aktive områder. HDR Status og Muligheter 10
I prinsippet kan denne energien hentes ut ved først å bore ned gjennom magmaen samtidig ved at en kjøler området rundt borehullet slik at det dannes stabilt og fast fjell rundt injiseringsbrønnen. Vann, eller et annet fluid, pumpes så ned i bunnen av brønnen for deretter å presses opp langs utsiden av brønnen. Det oppvarmede vannet, eventuelt dampen, kan deretter hentes opp for utnyttelse. Denne teknikken er forsatt på forsøksstadiet og må utvikles videre før magma kan bli en reell energikilde. 2.4.3 Geopressede reservoarer Denne typen geotermisk energi består av varmt vann under høyt trykk som ligger nede i fjellgrunnen på 3-7 km dyp under et lag av tette bergarter. Vannet inneholder oppløst metan og kan ha et trykk i størrelsesorden på 100 MPa mens temperaturen ligger i området 90-200 o C. Både varmen og metanen i disse reservoarene kan tenkes brukt til energiproduksjon, men det eksisterer ikke teknologi som kombinerer dette i dag. 2.4.4 Varmepumper Varmepumper utnytter den geotermiske energien som finnes i omgivelser der temperaturnivået er for lavt til å bli utnyttet direkte. Ved tilførsel av energi til en kompressor, som regel i form av elektrisitet, løftes temperaturen til det sirkulerende mediet fra omgivelsestemperatur opp til et høyre temperaturnivå for så å brukes til oppvarming. Varmepumper er velkjent og anerkjent teknologi som er mye anvendt. Forholdet mellom avgitt og tilført energi ligger mellom 3:1 og 6:1. HDR Status og Muligheter 11
3. HOT DRY ROCK Kommersiell utnyttelse av geotermisk energi foregår i dag i termisk aktive områder hvor det ikke er behov for teknisk vanskelige og dyre løsninger. Dette gjør det mulig å produsere energi til konkurransedyktige priser med kort tidshorisont. Norge ligger i et stabilt geologisk område og har per i dag ingen produksjon av slik energi. Ny og mer avansert teknologi kan gjøre det mulig å utnytte energien som finnes lagret i grunnen i form av varme også her i landet. Denne teknologien kalles Hot Dry Rock (HDR) teknologi. HDR-teknologien tar sikte på, som navnet tilsier; å utvinne energien som finnes i varme tørre bergarter. Konvensjonell geotermisk energiproduksjon derimot, baserer seg på uttak av allerede eksisterende varmtvann eller damp i grunnen som blir hentet ut med forskjellige teknikker. Det meste av jordens landområder er dekket av tørre ugjennomtrengelige bergarter og HDR-teknologien vil derfor kunne øke mulighetene for utnyttelse av geotermisk energi betraktelig. Dette er tilfelle for Norges vedkommende, hvor en slik løsning kan vise seg å bli en ny og miljøvennlig energikilde. Betegnelsen varme, tørre bergarter inkluderer også bergarter hvor det naturlig forekommer noe vann, men ikke i tilstrekkelige mengder til at dette kan ekstraheres fra grunnen for utnyttelse. Prinsippet bak denne teknologien, som vises i figur 4, går ut på å injisere vann eller annen fluid ned i grunnen via en injiseringsbrønn til et dyp med tilstrekkelig høye temperaturer hvor vannet blir varmet opp. Vannet hentes deretter opp igjen via en produksjonsjonsbrønn (evt. flere), og kan benyttes til forskjellige former for energiproduksjon. En av utfordringen i HDR-konseptet ligger i å skape en strømningsvei gjennom fjellet mellom injiseringsbrønn og produksjonsjonsbrønn som gir en stor varmevekslingsflate mellom fluidet og bergmassen og i tillegg sikrer at massestrømmen blir tilstrekkelig stor. Figur 4 Hovedprinsipp bak et HDR-anlegg HDR Status og Muligheter 12
Oppsprekking av berggrunnen har vært den eneste metoden som har blitt utprøvd. Ved å skape et sprekksystem gjennom bergmassen kan vannet sirkuleres gjennom ved hjelp av pumper og på den måten hente ut varme. Foreløpig er det to måter som har blitt brukt for oppsprekking av berggrunnen. Den ene metoden går ut på å fyre av sprengladninger i bunnen av injeksjonbrønnen. Eksplosjon vil danne sprekker i den omkringliggende bergmassen, som senere kan utvikles vidre med hydraulisk stimulering. En annen mulighet for oppsprekning er ren hydraulisk stimulering. Man utnytter da eksisterende sprekkesystemer. Disse vidreutvikles ved å trykke opp med en viskøs fluid. Under driften av HDR-anlegget vil varme hentes ut og berget avkjøles. En hypotese går ut på at det etterhvert vil opptre termiske spenninger p.g.a. temperaturdifferanser i fjellet som igjen vil føre til en videre oppsprekking. På denne måten vil nytt varmevekslingsareal utvikles og nye vannveier gjennom fjellet dannes slik at reservoaret blir selvutviklende. En videre oppsprekning av berggrunnen vil også føre til at gjennomstrømningsarealet blir større slik at massestrømmen kan økes. Dette igjen medfører mulighet for økt effektuttak. Hvorvidt virkningen av de beskrevene forholdene vil føre til at den utvunnede effekten fra anlegget faktisk øker er noe usikkert, men eksperimenter som er utført ved forskningsanlegget Fenton Hill i USA tyder på at dette er tilfelle. Oppsprekking av berggrunnen er fremdeles gjenstand for forskning, men forventes snart å bli en kommersielt tilgjengelig teknikk. En god oppsprekking av berggrunnen som tilfredsstiller kravene til varmevekslingsflate, massegjennomstrømning og et minimalt tap av fluid til omgivelsene er helt avgjørende for at HDR-teknologien i fremtiden skal bli en suksess. Til tross for at oppsprekking foregår i fjell med lav permeabilitet, vil det alltid forekomme noe tap av det sirkulerende fluidet til det omliggende berget. Dette tapet er viktig å holde på et minimum, og et akseptabelt nivå anses i dag å ligge på rundt 5% av sirkulert massestrøm. Dette tallet vil variere for utformingen på de forskjellige anleggene, og vil være avhengig av økonomiske betraktninger samt seismiske forhold på det aktuelle stedet. 3.1 Temperaturforhold i grunnen I tillegg til utformingen av selve anlegget er temperaturforholdene i grunnen den aller viktigste parameteren for et HDR-anleggs ytelse. Den geotermiske temperaturgradienten gir temperaturendringer vertikalt nedover i grunnen og ligger for områder med varmt, tørt berg mellom 25 og 35 C/km. Den økende temperaturen nedover i fjellet skyldes varmefluks fra jordens indre, samt nedbryting av de radioaktive stoffene uran, kalium og thorium som finnes spredt i grunnen. Nedbrytingen av de radioaktive stoffene står for det meste av varmeproduksjonen, noe som tilsier at temperaturforholdene varierer avhengig av konsentrasjonen av disse. Med moderne boreteknologi er maksimal oppnåelig dybde rundt 10 km, som vil gi en temperatur i berget på 260 C dersom en legger til grunn en konstant temperaturgradient på 25 C/km og en overflatetemperatur på 10 C. For et praktisk HDR-anlegg er det urealistisk å bore så dypt som 10 km, men dersom det legges til grunn en mer realistisk dybde for anlegget på 5 km, vil bergtemperaturen likevel ligge på 135 C. Dette er tilstrekkelig til bruk både for kraftproduksjon såvel som til direkte HDR Status og Muligheter 13
bruk hvor geovarmen benyttes som varmekilde i industrielle prosesser, eller til oppvarming av boliger via sentral- eller fjernvarmenett. I tillegg er disse betraktningene konservative da det er bruk lav temperaturgradient. 3.2 Forskning omkring HDR-teknologien Det finnes per i dag ingen kommersiell utnyttelse av HDR-teknlogien, men flere prøveprosjekter er i drift flere steder i verden. Forskning omkring HDR-teknologien startet for vel 20 år siden med bygging av forskningsanlegget Fenton Hill i New Mexico, USA i regi av Los Almos National Laboratory. Omtrent samtidig startet et prosjekt i Storbritannia i den prekambriske granitten lokalisert i Rosemanowee i regi av Camborne Schools of Mines. I den senere tid har det også kommet et forsøksanlegg i Soultz-sous-Forets i Frankrike som er et samarbeidsprosjekt mellom flere land. Figur 5 viser en del av de viktigste prosjektene innen HDR. De er klassifisert etter både reservoartemperatur og boredyp. Vi ser at Fenton Hill er det prosjektet som har boret lengst og oppnådd høyest temperatur. Figur 5 De viktigste prosjektenes reservoartemperatur og boredyp 3.2.1 Fenton Hill Mellom 1974 og 1978 ble verdens første HDR reservoar utviklet ved Fenton Hill forsøksanlegg. Det oppsprukne området i fjellet ble estimert til å omfatte et volum på omkring 3.5 10 6 m 3. En produksjonsbrønn ble opprettet ned til reservoaret og HDR Status og Muligheter 14
sirkulasjonstester ble utført i årene 1978-1980. Under disse forsøkene, kalt fase 1, ble vann med temperaturer på 135-140 C hentet opp, men reservoaret var for lite til at det kunne utføres praktiske tester for en lengre periode. I 1980 begynte så boringen av et nytt reservoar i fase II. Dette reservoaret ligger på 3350-3650 m dyp med fjelltemperaturer på rundt 227-238 C. To brønner forbinder reservoaret med overflaten og er anslått til å omfatte et volum på 750 10 6 m 3. Mellom 1987 og 1991 ble så en kraftstasjon bygget ved Fenton Hill og koblet til dette reservoaret for å utnytte energien som ble ekstrahert. Selve elektrisitetsproduksjonen foregår med bruk av et binært anlegg (hvor det varme vannet som hentes opp fra grunnen brukes til å fordampe et sekundært fluid som går i en lukket krets som i sin tur driver turbinene som igjen driver generatorene). En rekke sirkulasjonstester ble utført for reservoaret mellom 1992 og 1995, hvor 3 av disse ble gjennomført som kontinuerlige tester der anlegget produserte elektrisitet døgnet rundt i perioder på mellom 56 og 112 dager. Under disse forsøkene ble anlegget drevet som vanlige kraftstasjoner med full bemanning kun i den vanlige arbeidstiden og var operativt i mer enn 95% av tiden disse forsøkene varte. Vanntapet ved disse forsøkene lå på akseptable 7%. I tillegg til dette ble det utført tester som viste at produktiviteten til reservoaret, dvs mengden av varmeuttaket, kunne økes med opptil 50% i løpet av et par minutter ved å øke massestrømmen gjennom systemet. Det økte produksjonsnivået ble opprettholdt i 4 timer om gangen før en gikk over til normal drift. Poenget med disse forsøkene var å vise at slike kraftanlegg basert på et HDR-reservoar kunne tilfredsstille variasjoner i kraftetterspørselen som forekommer i løpet av et normaldøgn. Resultatene som er oppnådd ved Fenton Hill har demonstrert at kraftproduksjon med HDR-teknologi er fullt ut gjennomførbart og at store mengder energi kan produseres kontinuerlig ved slike anlegg. Konklusjonen fra Fenton Hill er at HDR-systemet har vist seg både som en sikker energikilde og et fleksibelt system med hensyn på å dekke etterspørselsestopper i kraftmarkedet og ser ut til å være en energikilde som er godt egnet for framtidig utnyttelse. 3.2.2 HDR-forskning i Europa, Soultz-sous-Forets Forskningsprogrammet ved Soltz-sous-Forets startet i 1987 og består av et samarbeid mellom forskningsgrupper fra Frankrike, Tyskland, Storbritannia, Italia, Sveits og Sverige. Området Soultz-sous-Forets er lokalisert 50 km nord for Strasbourg ved grensen mot Tyskland hvor grunnen består av et område med naturlig oppsprukket fjell dekket av et kilometer tykt lag av sedimentære bergarter. 6 borehull er laget i dette området hvorav de to typeste er på henholdsvis 3600 og 3900 meter og de fire andre har en dybde på mellom 1400 og 2200 meter. De dypeste brønnene brukes til tester for varmeuttak og for hydrauliske tester, mens de 4 andre er for ren observasjon og overvåking av forholdene. På 3900 meters dyp er det målt en temperatur på 165 C, og området rundt er i følge undersøkelser stabilt og har de ønskede egenskapene med hensyn til energiutnyttelse. En rekke tester har blitt utført for dette området og resultater har vist at for en sirkulert vannmengde på 25 liter/sek med en avstand på 450 meter mellom borehullene var HDR Status og Muligheter 15
levert termisk effekt på rundt 10 MW for et pumpearbeid tilsvarende 250kW. Temperaturen på vannet lå da på ca. 140 C. Eksperimenter viser at en slik krets hvor vannet sirkulerer gjennom berggrunnen i stor grad kan automatiseres og drives uten store innvirkninger på miljøet. Som en følge av disse lovende resultatene er det nå foreslått å bygge et prøveanlegg ved Soultz-sous- Forets for elektrisitetsproduksjon basert på denne energikilden. 3.2.3 Camborne-School-of-Mines prosjektet Forskning foretatt i Cornwall i Storbritannia omkring utnyttelsen av HDR har vært av en litt annen karakter en ved Fenton Hill i USA. Ved Rosemanowes i Cornwall har forskningen vært konsentrert omkring temperaturmålinger for å kartlegge den termiske graderingen av berget ved hjelp av det sirkulerende fluidet. Disse målingene ble gjort på dyp som kunne nås ved hjelp av billig tilgjengelig boreteknologi, mens man ved Fenton Hill ønsket å bore tilstrekkelig dypt slik at en oppnådde høye nok temperaturer til å produsere elektrisitet. Mellom 1977 og 1980 ble det ved Rosemanowes i Storbritannia boret 4 prøverør til en dybde av 300 meter ned i grunnen. Et horisontalt reservoar ble laget mellom hullene. Fra 1980 til 1983 ble så to nye brønner boret ned til en dybde av 2100 meter. Temperaturen på dette dypet lå på 79 C mens den geotermiske temperaturgradienten økte fra 31 C/km ved overflaten til 35 C/km ved 2000 meters dyp. I dette prosjektet ble det først brukt eksplosiver i borehullene etterfulgt av hydraulisk oppsprekking. Mellom 1983 og 1986 ble så en tredje brønn boret ned til 2600 meters dyp hvor bergtemperaturen lå på 100 C. Hovedkonklusjonen fra eksperimenter utført gjennom Camborne School of Minesprosjektet er at HDR-teknologien er teknisk mulig dersom de riktige betingelsene for temperaturnivåer og grunnforhold er til stede. HDR Status og Muligheter 16
4. FORUNDERSØKELSER 4.1 Bakgrunn Det kan være mange motiver bak å gjøre forundersøkelser av undergrunnen der man ønsker å konstruere et HDR-anlegg. Før man tar de endelige avgjørelsene om hvor man skal bore, vil det være gunstig å ha opplysninger om sentrale begreper som temperaturgradient og bergartsparametre som hardhet og tetthet. Dette er forhold som spiller inn på hvor dypt man trenger å bore for å nå ønsket temperatur, og hvor komplisert boreprosessen blir. Det er mange metoder som kan brukes til å kartlegge de ulike forholdene. Både gravimetri og magnetometri er metoder som brukes til avbildning av undergrunnen, men i realiteten er det bare seismikk, av dagens teknologier, som er et kraftig nok verktøy til å avbilde strukturer på dyp ned mot 5-6000 meter. Forundersøkelser som danner grunnlag for estimat på temperaturgradienten på det aktuelle stedet, altså undersøkelser som gjøres før boringen tar til, er først og fremst utført ved måling av varmestrøm på overflaten. Siden HDR-prosjekter er hardt presset økonomisk, og alle disse undersøkelsene koster tid og penger å utføre, er det viktig å være selektiv i hvilken informasjon man etterspør. Informasjon har kun verdi dersom den vil avgjøre videre valg av løsninger. Man må derfor veie den investering man gjør i informasjon opp mot de eventuelle utlegg man kan pådra seg fordi informasjonen ikke er kjent. Et av formålene med å ta opp dette temaet i rapporten er å undersøke om man kan spare seg for betydelige økonomiske utlegg ved å investere i informasjon på forhånd. 4.2 Fakta 4.2.1 Geotermisk gradient På grunn av den enorme temperaturforskjellen mellom jordas indre og overflate, går det en varmestrøm ut mot overflaten. I jordas indre, hvor temperaturen antas å være rundt 7000 o C, transporteres varmen i hovedsak gjennom konveksjon, dvs. sammen med plastisk materiale som beveger seg i konveksjonsceller. Jordskorpen er fast, slik at det geologiske materiale ikke kan bevege på seg i samme grad. Dette gjør at varmen må transporteres gjennom varmeledning i de faste bergartene, noe som igjen betyr at varmen i jordskorpa vil øke med dypet. I HDR-prosjektering ønsker vi å bore på steder med høy varmestrøm, dvs. at temperaturgradienten er høy. Geotermisk energi er relativt jevnt fordelt rundt i jordskorpa, men det finnes områder der forholdene for HDR er spesielt gunstige, dvs at de ønskede temperaturene kan nås uten å bore til alt for store dyp. Den geotermiske gradienten måles i K/m. En vanlig måte å estimere den geotermiske gradienten på, uten å gjøre borehullsmålinger, er å bruke varmestrømsdata fra overflatemålinger. Varmestrøm måles i mw/m 2. Varmestrømmen på overflaten ligger, i Norge, på under 80 mw/m 2 og ofte under 50 mw/m 2, og det er relativt lave tall. Dersom man leter etter store lokale variasjoner i gradient, er dette først og fremst forbundet med tektonisk og vulkansk aktive områder, og Norge regnes som passivt på begge disse områdene. Det finnes derimot regionale forskjeller i Norge som kan HDR Status og Muligheter 17