Tre kilometer nede i jorden bliver arbejdet for hårdt for det traditionelle boreudstyr. Efter i ugevis at have ædt sig gennem ler, sand og grus, er det nu nået ned til grundfjeldet af granit.
Men ingeniørerne har en løsning. De trækker borehovedet op og erstatter det med et underligt rør med noget, der ligner en lille parabol for enden.
Sekunder senere begynder parabolen at udsende elektromagnetisk stråling med enorm styrke. Strålingen får klippen i bunden af borehullet til at fordampe. Den ophører simpelthen med at eksistere. Og det går stærkt!
Hvor et almindeligt bor ville være måneder om at nå den næste kilometer ned, tilbagelægger parabolen turen på en uge og efterlader en glat, lodret brønd med en diameter på 20 centimeter.
Bag den banebrydende boreteknik står det amerikanske firma Quaise. Endnu er den kun på tegnebrættet, men investorerne står i kø, for perspektiverne i teknikken er gigantiske.
Forskerne vil brænde sig 20 kilometer ned på 100 dage.
Virksomhedens beregninger viser, at det er muligt at nå 20 kilometer ned i jorden på bare 100 dage. Og bliver det virkelighed, står kloden over for en energirevolution, der kan gøre den grønne omstilling til en leg.
Island har vist vejen
Målet for Quaise er at tappe den enorme varmereserve, som kloden gemmer i sit indre. Geologernes modeller viser, at der i 20 kilometers dybde hersker temperaturer mellem 400 og 500 °C overalt på kloden.
Varmen stammer fra Jordens dannelse og fra det løbende henfald af radioaktive grundstoffer i undergrunden – primært uran, thorium og kalium.
Hvis vi får adgang til den geotermiske energi, kan vi udnytte den til at skabe elektricitet på samme måde, som det i dag kun er muligt få steder i verden. Et af dem er Island, hvor 25 procent af strømmen i stikkontakten er hentet fra energi i undergrunden.
Vulkansk aktivitet gør jordskorpen under Island så tynd, at kraftværker let kan udnytte Jordens indre varme.
Sammen med fx Japan og New Zealand er Island et af de energimæssigt heldige lande på kloden. Østaten ligger lige over den såkaldte midtatlantiske spredningsryg, hvor ny havbund hele tiden opstår på grund af vulkansk aktivitet.
Resultatet er, at jordskorpen er ekstremt tynd, så boringer populært sagt kun skal kradse lidt i overfladen, før temperaturen kan udnyttes – både til opvarmning og til strømproduktion.
Varmt vand til opvarmning skal blot være over 50 °C, mens strømproduktion først fungerer, når temperaturen er mindst 150 °C og gerne meget højere.
I det meste af verden har geotermi til elproduktion derfor kun en fremtid, hvis det bliver nemt og billigt at hente energien meget langt nede i jordskorpen.
I dag er der kun begrænsede områder (røde), hvor vi kan producere strøm med geotermisk energi. Men hvis vi kan bore 20 kilometer ned, bliver det muligt over hele kloden.
Det er det problem, Quaise vil løse med sin nye boreteknik.
“I 2022 går vi fra testboringer på en meter ned til ti meter. Derefter begynder vi på næste fase. Vi satser på, at vi i 2024 er klar med teknikken, så vi for alvor kan begynde at bore i dybden,” oplyser Carlos Araque, direktør og medgrundlægger af Quaise, til Illustreret Videnskab.
I stedet for at bore med et traditionelt borehoved vil Quaises forskere bogstavelig talt brænde sig ned gennem klippen. Til det formål skal de bruge en mikrobølgegenerator – en såkaldt gyrotron.
Teknologien findes allerede
En gyrotron producerer energirige elektromagnetiske bølger i millimeterlængde med en frekvens på mellem 30 og 300 GHz. Heldigvis eksisterer teknologien allerede – også i den skala, Quaise har brug for.
Det er nemlig gyrotroner, som andre energiforskere anvender i forsøg med fusionsenergi. Her bruger forskerne mikrobølgerne til at opvarme fusionsbrændstoffet til over 100 millioner °C.
Gyrotroner bruges i fusionsreaktorer til at varme brændstoffet op – som her på det store europæiske forsøgsanlæg ITER.
Helt så høje temperaturer skal Quaise ikke bruge, da 3000 °C er nok til at fordampe klippen i bunden af borehullet. Til gengæld er udfordringen at bringe de energirige mikrobølger dybt ned i jorden.
Transporten skal ske gennem en såkaldt bølgeleder, som er et metalrør med en inderside, der reflekterer mikrobølgerne uden tab. I bunden af hullet frigiver bølgelederen mikrobølgerne, som brænder klippen til et fint, askelignende pulver.
Asken fjernes elegant, ved at ædelgassen argon pumpes ned i hullet. Her blander asken sig med gassen, så den pulveriserede klippe løftes med op af hullet, når gassen igen stiger til vejrs.
Mikrobølger fordamper klippen
Firmaet Quaise vil bruge en helt ny teknik til at bore dybt ned i klippegrunden. Mikrobølger fra en såkaldt gyrotron skal brænde klippen til aske, som derefter kan hentes op ved hjælp af gas.
1. Gyrotron udsender mikrobølger
Efter at et normalt bor er nået ned gennem jordlaget, tager gyrotronen over. Den skaber ekstremt energirige mikrobølger, som sendes ned gennem borehullet via en såkaldt bølgeleder.
2. Mikrobølger brænder klippen væk
I bunden af hullet skaber mikrobølgerne en temperatur på 3000 °C, som fordamper klippen i en afstand på op til 15 centimeter. Længere væk smelter klippen, men størkner igen og stabiliserer på den måde hullet.
3. Gas henter den knuste klippe op
Den fordampede klippe krystalliserer hurtigt til et fint stenpulver, der minder om vulkansk aske. Pulveret fjernes, ved at argongas pumpes ned i hullet. Når gassen stiger op, bringer den asken med sig.
Quaises koncept har den fordel, at der nede i borehullet ikke er noget udstyr, som bliver slidt og skal skiftes.
Samtidig bliver væggene i borehullet automatisk forseglet med en holdbar kappe af smeltet klippe, der størkner til glas. Et normalt borehul skal afstives med et metalrør, der føres ned efter boringen, og det er både dyrt og tidskrævende.
Én løsning på to store problemer
På den måde løser Quaise de to største udfordringer, som knytter sig til at bore dybt: at forsegle borehullet og at hente det udborede materiale op til overfladen.
De to problemer betyder, at omkostningerne ved en traditionel mekanisk boring stiger eksponentielt med dybden – og det samme gør boretiden for hver ekstra kilometer.
Af samme grund er det aldrig lykkedes at bore så dybt, som Quaise planlægger at gøre. Klodens hidtil dybeste hul er på godt 12 kilometer. Rekorden blev sat på Kolahalvøen i 1989 af forskere fra det daværende Sovjetunionen.
Jordens dybeste hul blev boret på Kolahalvøen fra 1970 til 1989. Det tog altså 19 år at nå godt 12 kilometer ned. Med sin nye teknik vil Quaise næsten fordoble rekorden.
De tekniske begrænsninger ved traditionel boring er også den vigtigste årsag til, at geotermi i dag kun dækker én procent af verdens samlede energiforbrug, som nærmer sig 20 terawatt. En terawatt er 1012 watt, altså et ettal fulgt af 12 nuller.
“Vores mål med dyb geotermisk energi er at producere baseload-energi i terawatt-skala,” siger Carlos Araque.
Og netop ordet baseload er centralt for den grønne omstilling. Baseload er betegnelsen for en energikilde, vi kan justere efter behov.
I dag kommer meget baseload-energi fra kraftværker, som afbrænder fossile brændsler. Vandkraft er også baseload, så længe der er vand nok bag dæmningen, men sol- og vindenergi er ikke. Her varierer produktionen med døgnet og vejret.
Hvis geotermi kan give os baseload-energi i store mængder, vil det være en afgørende brik i det puslespil af vedvarende energikilder, som skal gøre os helt uafhængige af fossile brændsler.
Fire grønne kilder kan dække vores elforbrug
Vi kan sagtens dække hele klodens elforbrug med vedvarende energikilder fra vind, sol, vand og jord – bare vi skruer produktionen klogt sammen. Læs hvordan her.
Quaises eksperimenter kan dermed ændre vores energiforsyning radikalt. Det hele står og falder med gyrotronboringerne.
Firmaets indledende forsøg viser, at selve grundtanken med at fordampe klippen ved hjælp af en gyrotron fungerer i laboratoriet, men om teknikken også virker i fuld skala og med en kilometerlang bølgeleder, er stadig uvist.
De dybe boringer skal foretages med mikrobølger fra en såkaldt gyrotron. Teknikken er testet i laboratoriet, hvor forskerne har brændt et fem centimeter bredt hul i en sten (th.).
Kraftværker skal genbruges
Hvis missionen lykkes, og det bliver muligt at bore hvor som helst til en brøkdel af den nuværende pris, kan energiselskaber på kort tid udskifte kul og olie i deres nuværende kraftværker med grøn energi fra undergrunden.
Det kræver bare to dybe boringer tæt ved værkerne. Derefter kan de fortsætte elproduktionen, men uden udledning af CO2.
For at opnå det bedste udbytte skal vand pumpes ned, hvor klippen er 400-500 grader varm. Her vil varmen og det høje tryk i dybet få vandet til at skifte til en fjerde fase, en fase, som er forskellig fra de tre, vi kender på jordoverfladen: gas, væske og fast stof.
I stedet bliver vandet det, fysikerne med et dramatisk ord kalder for superkritisk. I denne fase indeholder vandet ti gange mere energi end almindeligt vand. Det gør det særlig egnet til energiproduktion, fordi den såkaldte energitæthed kan konkurrere med fossile brændslers.
Teknikken og naturen er klar
Teknologien til at udnytte geotermisk energi findes i dag. Vi kan endda genbruge de kraftværker, som tidligere var fyret med kul og gas. Og undergrunden er klar til at levere den varme og det tryk, som giver det bedste udbytte.
1. Koldt vand bryder klippen op
Pumper sætter tryk på det kolde vand, som sendes ned gennem det første borehul. Når vandet strømmer ud i 20 kilometers dybde, skaber det revner og sprækker i den tørre klippe, som er 400-500 grader varm.
2. Vandet bliver fyldt med energi
Efterhånden som mere vand pumpes ned, opstår der reservoirer, som er udsat for både stærk varme og højt tryk. Vandet bliver superkritisk, hvilket vil sige, at det kan indeholde ti gange så meget energi som normalt.
3. Glohed damp driver gamle turbiner
Det superkritiske vand pumpes op. Når det kommer op til overfladen, hvor trykket er lavere, bliver det til skoldhed damp, som bruges til elproduktion – fx via turbiner og generatorer fra gamle kulkraftværker.
Idéen om at omlægge eksisterende kraftværker til geotermiværker er en grundpille i Quaises forretningsmodel.
“Den grønne omstilling kan ikke starte med, at vi smider alt, hvad vi har, væk og bygger igen. Det er helt imod bæredygtighed,” mener Carlos Araque.
“Kraftværkerne repræsenterer årtiers, hvis ikke århundreders, menneskeligt arbejde. Med en simpel ændring kan vi standse deres udledning af CO2.”
Hvis de kommende års forsøg går godt, forudser Carlos Araque, at Quaise forsyner det første fossile kraftværk med dyb geotermisk energi inden 2030.
