Le microturbine di perforazione migliorano l'efficienza dei sistemi geotermici

La microturbina di perforazione con punta diamantata è lunga solo 10 centimetri e ha un diametro di 3,6 centimetri. Durante la foratura, ruota fino a 80.000 giri al minuto. Attestazione: Fraunhofer-Gesellschaft

I sistemi geotermici stanno diventando una fonte sempre più importante di energia pulita e, soprattutto, con capacità di carico di base. Ma i pozzi, che possono essere profondi diverse migliaia di metri, sono rischiosi e le cose a volte possono andare storte. Gli scienziati di Fraunhofer hanno ora sviluppato uno strumento innovativo che consente di perforare ulteriori rami dal pozzo principale. Ciò riduce il rischio di pozzi secchi e migliora la resa.

L’energia geotermica è una fonte di energia inesauribile. L’acqua calda proveniente da bacini idrici, fessure e crepe si trova in profondità nella crosta terrestre, che è spessa circa 30 chilometri. L’acqua a una profondità di 5000 metri è già calda a 200°C. Nelle applicazioni geotermiche, viene pompato utilizzando un pozzo di produzione. Quest’acqua può quindi essere utilizzata per alimentare turbine a vapore per generare elettricità o per riscaldare edifici tramite sistemi a pompa di calore. L’acqua raffreddata ritorna nella crosta terrestre attraverso un secondo pozzo, il pozzo di iniezione, dove viene nuovamente riscaldata nella roccia calda. È un ciclo completo. Questa energia rinnovabile può svolgere un ruolo significativo nella lotta ai cambiamenti climatici.

Ma i pozzi, che raggiungono diverse migliaia di metri di profondità, comportano costi e rischi significativi allo stesso tempo. Il rischio di sbagliare e non trovare nulla (quello che gli esperti chiamano rischio esplorativo) è di circa il 30%. Questo è ciò che vogliono cambiare gli esperti dell’istituto di ricerca Fraunhofer per le infrastrutture energetiche e i sistemi geotermici IEG di Bochum. La loro idea è quella di utilizzare un mini-trapano per perforare l’area intorno al pozzo in un raggio di 50 metri e collegare idraulicamente le crepe e le fratture circostanti piene d’acqua al pozzo. Questo apre la strada all’acqua di fluire nel pozzo di produzione da dove può essere pompata.

Le microturbine di perforazione migliorano l'efficienza dei sistemi geotermici

Semplice e affidabile: il pattino di rinvio in lamiera d’acciaio guida l’utensile di foratura verso l’esterno con un angolo di 45 gradi. Attestazione: Fraunhofer-Gesellschaft

La perforazione secondaria esplora l’area circostante

La tecnologia di perforazione con microturbine (MTD) è stata sviluppata da Niklas Geißler, che svolge attività di ricerca presso il Fraunhofer IEG di Bochum e il Fraunhofer-Chalmers Research Center for Industrial Mathematics FCC in Svezia. “I pozzi che raggiungono diversi chilometri nella crosta terrestre costano milioni di euro. Ulteriori rami dal pozzo principale che utilizzano MTD aumentano il bacino di utenza per l’acqua calda e il rischio di esplorazione diminuisce significativamente”, spiega Geißler.

La chiave di MTD è una micro turbina di perforazione compatta dotata di una punta speciale. È molto piccolo, misura solo 3,6 centimetri di diametro e 10 centimetri di lunghezza. La microturbina è collegata ad un tubo ad alta pressione, attraverso il quale viene alimentata fino a 200 litri di acqua al minuto ad una pressione in ingresso di circa 100 bar, che fa ruotare la punta. La punta è costituita da una matrice in carburo di tungsteno con grani di diamante incorporati e macina nella roccia fino a 80.000 rotazioni al minuto. Pertanto, è particolarmente adatto per rocce dure e cristalline come il granito. Inoltre, è anche in grado di forare l’acciaio. Questo è importante perché i pozzi sono generalmente rivestiti con un rivestimento in acciaio per una migliore stabilità. Senza cambiare l’utensile di perforazione, l’MTD può perforare prima l’involucro in acciaio e poi la roccia in un unico passaggio. “Possiamo perforare da due a tre metri in un’ora. L’acqua che alimenta la microturbina funge sia da refrigerante, in modo che il trapano non diventi troppo caldo, sia per svuotare il foro per rimuovere i frammenti di trivellazione”, afferma Geißler. Ci sono state tecnologie simili che utilizzano acqua pressurizzata in passato, come la perforazione a getto radiale. Tuttavia, fino ad ora solo la roccia tenera poteva essere perforata utilizzando queste tecnologie. Per l’energia geotermica in particolare è necessario un metodo per perforare la roccia dura in cui si trovano spesso serbatoi geotermici.

Una delle sfide del processo è deviare la microturbina di perforazione fuori dal pozzo principale e spingerla nella roccia circostante con un angolo di lavoro relativamente ampio. Ecco perché i ricercatori IEG hanno sviluppato uno speciale dispositivo di deflessione. Usando questa “scarpa deflettore”, lo strumento compatto può essere guidato fuori dal pozzo principale con un angolo di circa 45 gradi. Pertanto, lo strumento di perforazione apre nuove crepe e fessure con acqua calda attorno al pozzo principale. L’uso della pressione idraulica significa che quando l’acqua viene pompata, l’acqua fuoriesce dalle fessure e dalle fessure e nel pozzo principale.

“Negli ultimi mesi, abbiamo dimostrato con successo la tecnologia in un proof of concept al Bedretto Underground Laboratory (BUL) in Svizzera, vicino al tunnel del San Gottardo. Il processo è già molto stabile e affidabile”, ha affermato Geißler.

Le microturbine di perforazione migliorano l'efficienza dei sistemi geotermici

Vista di un braccio laterale appena forato a 346 metri. La microturbina di perforazione ha fresato in modo pulito la roccia granitica. Attestazione: Fraunhofer-Gesellschaft

Registrazioni audio dei rumori di perforazione

L’importanza della questione è stata notata anche dai politici. Dal marzo 2021, il Ministero federale tedesco dell’economia e dell’energia ha finanziato il progetto con oltre 430.000 euro. Nel frattempo, i ricercatori del Fraunhofer IEG hanno portato avanti il ​​progetto. Il prossimo passo è registrare i rumori di perforazione. Il suono della microturbina di perforazione, le cui pale emettono un caratteristico pattern di impulsi durante la rotazione, può fungere anche da riferimento acustico per l’analisi. Analizzando le registrazioni audio, è possibile determinare se il trapano sta ruotando alla giusta velocità, è bloccato o addirittura funziona a secco. Il rumore viene trasmesso come suono strutturale ai tubi di acciaio e registrato sulla superficie.

La tecnologia non è utile solo per le applicazioni geotermiche. “In generale, l’MTD può essere utilizzato in qualsiasi perforazione profonda in cui è importante esplorare l’area circostante un pozzo con tipi di roccia potenzialmente eterogenei, come per l’industria petrolifera e del gas. , questa tecnologia di micro perforazione può essere utilizzata per praticare fori di ancoraggio in aree difficili da raggiungere in cui la quantità di spazio disponibile preclude l’utilizzo di attrezzature convenzionali “, spiega Geißler.

Tuttavia, una delle principali applicazioni della tecnologia, per la quale è stata depositata una domanda di brevetto nel 2020, è sicuramente l’estrazione di energia geotermica. Gli esperti stimano che il numero di centrali geotermiche in Europa raddoppierà nei prossimi cinque-otto anni. La perforazione con microturbine del Fraunhofer IEG può svolgere un ruolo significativo nel rendere i pozzi di produzione meno rischiosi, meno costosi e persino più efficienti.


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