Mikrowellenbohren klingt wie Science-Fiction, aber das Bohren bis zum heißesten Gestein ist es auch

Als er gebeten wurde, Quaise Energy zu beschreiben, sagte Finanzvorstand Kevin Bonebrake: „Im einfachsten Fall werden wir Dampf erzeugen.“

Ihr Ziel ist es, Dampf zu erzeugen, der heiß genug ist, um einen Stromgenerator anzutreiben, der mit fossilen Brennstoffen betrieben wird. Sie planen, dies zu erreichen, indem sie Wasser 10 bis 20 km tief in die Tiefe injizieren, bis die Gesteinstemperatur 400 bis 500 °C beträgt.

Die Motivation für das Bohren von Bohrlöchern in extrem hartes Grundgestein besteht darin, geothermische Elektrizität erschwinglich zu machen, indem Dampf erzeugt wird, der zum Repowering älterer Anlagen verwendet werden könnte, die an Stromnetze angeschlossen sind, die wichtige Märkte bedienen.

In der Vergangenheit wurde Geothermie nur wenig genutzt, da es nur wenige Orte auf der Welt gibt, die über die richtige Kombination aus heißem Gestein, Wasser und Durchlässigkeit verfügen, die für die Bereitstellung von qualitativ hochwertigem Dampf erforderlich ist.

Heißes, trockenes Gestein ist allgemein verfügbar, aber die Herstellung des benötigten überkritischen Dampfes erfordert Bohrungen in Tiefen von 10 bis 20 km, abhängig vom Temperaturgefälle in diesem Teil der USA. In dieser Tiefe stößt der Bohrer auf Gesteine ​​wie Granit und Basalt. Das Gestein ist in der Lage, sowohl überhitzten Dampf zu erzeugen als auch die für das Richtbohren erforderlichen Mikrochips und Dichtungen zu zerstören.

Quaise plant, ultratiefe Löcher zu bohren, indem es an der Bohrstelle leistungsstarke Mikrowellen erzeugt. Die Mikrowellen werden ins Bohrloch übertragen, um durch Schmelzen und Verdampfen des Grundgesteins ein Loch zu erzeugen. Die einzige Ausrüstung im Bohrloch ist ein langes Rohr, das die Wellen zu ihrem Ziel leitet.

Es ist eine dieser Ideen, bei denen die erste Reaktion der meisten Menschen ist: „Das klingt wie Science-Fiction“, was sowohl das Problem als auch die vorgeschlagene Lösung anspricht.

„Man muss anders denken, um mit dieser Art von Temperatur umzugehen“, sagte Henry Phan, Vizepräsident für Technik bei Quaise, dessen Aufgabe es ist, diese Erfindung in die technische Realität umzusetzen.

Die hohen Hürden beim Bohren von Bohrlöchern mit einer Tiefe von 10 bis 20 km (33.000 bis 66.000 Fuß) werfen die Frage auf: Gibt es keine Alternative?

Eine einfachere, schnellere und kostengünstigere Option wäre der Einsatz bewährter Bohrmethoden, um weniger tiefe Ebenen zu erreichen, in denen der erzeugte Dampf nicht so heiß ist. Phan beschrieb es als „kälteren, niederdrucksstärkeren, feuchteren Dampf“.

Laut einer Analyse der Bemühungen des Oman, die Energie von Heißwasserzonen unter Ölfeldern zu nutzen, kann diese Art von Geothermie für Zwecke wie die Bereitstellung von Wärme für die Entsalzung oder Energie für zentrale Kühlsysteme nützlich sein. Diese Zonen waren nicht heiß genug, um Strom zu erzeugen.

Es ist die Rede davon, Dampf aus Zonen zu nutzen, die nicht so tief liegen, aber Quaise kam in seiner Analyse zu dem Schluss, dass die großen Investitionen, die für den Bau von Kraftwerken erforderlich sind, die diesen Dampf zur Stromerzeugung nutzen können, die Produktion unwirtschaftlich kostspielig machen würden.

Quaise argumentiert, dass die Suche nach einer Möglichkeit zum Bohren extremer Bohrlöcher die Kosten und technischen Risiken wert sei, die mit neuen Technologien und dem Bohren in wenig bekannte Formationen einhergehen, da dadurch die Kosten für den Bau eines Kraftwerks eingespart würden. Ziel ist die Versorgung älterer mit fossilen Brennstoffen betriebener Kraftwerke, deren Eigentümer aufgrund der enormen Kosten für die Einhaltung von Umweltvorschriften gerne auf geothermischen Dampf umsteigen würden.

Basierend auf der Kostenanalyse von Quaise würden die Lebenszeitkosten pro kWh umgebauter Kraftwerke, die mit geothermischem Dampf betrieben werden, mit den Kosten für Kohle und Gas und einem Bruchteil der Kosten für geothermischen Dampf mit niedrigerer Temperatur konkurrenzfähig sein.

Das setzt voraus, dass sie eine Methode entwickeln können, um ein Bohrloch mit großem Durchmesser (etwa 8,5 Zoll) zuverlässig und zu einem Preis zu bohren, der kein Schnäppchen darstellt.

Um dies zu verwirklichen, planen sie den Einsatz einer Mischung aus konventionellen und Mikrowellen-Bohrmethoden. Sie würden Drehbohren verwenden, das schneller und billiger ist, bis die Kombination aus extremer Hitze, hartem Gestein und langen Auslösezeiten es zur kostspieligen Option macht.

„Wir werden so tief wie möglich bohren und dabei den günstigsten und wirtschaftlichsten Weg wählen“, sagte Phan. Während jüngste Tests gezeigt haben, dass es möglich ist, mit einem PDC-Bohrer schneller und länger in Granit zu bohren, „sind irgendwann die Wirtschaftlichkeit (des Drehbohrens) nicht mehr tragbar und wir werden dann auswechseln“, sagte er.

Mikrowellenbohren ist nicht so schnell, aber die Einfachheit der Bohrlochausrüstung – ein langes, gerades Rohr, das als Wellenleiter bezeichnet wird und während des Bohrens in einem sicheren Abstand zum Bohrlochboden endet – dürfte die unproduktive Zeit im Vergleich zum Drehbohren in Granit begrenzen. wodurch sich die Bohrer schnell abnutzen. In 30.000 Fuß Höhe sind Hardware-Reparaturen zeitaufwändig.

Mikrowellenenergie würde an der Oberfläche mit einer Einheit namens Gyrotron erzeugt, die von tragbaren Dieselgeneratoren oder Netzstrom angetrieben wird.

Bohrer würden einen Wellenleiter, der die Mikrowellenenergie mit einem Minimum an Energieverlust ins Bohrloch liefert, wahrscheinlich als ein dünnes Bohrrohr beschreiben.

Zwei der Großinvestoren von Quaise verfügen ebenfalls über enge Verbindungen zum Ölgeschäft. Dabei handelt es sich um den großen Bohrunternehmer Nabors Industries und den Ausrüstungslieferanten TechEnergy Ventures, der zur Techint Group gehört. Tenaris, ein bedeutender Hersteller von Ölfeldrohren, ist Teil von Techint. Sollte das Mikrowellenbohren jemals erfolgreich sein, könnten Wellenleiter und automatisierte Ultratiefbohrgeräte eine Möglichkeit für sie sein, von der Energiewende zu profitieren.

Die für das Mikrowellenbohren verwendeten Grundkomponenten haben sich bewährt – nur nicht zum Bohren von Bohrlöchern.

Das Gyrotron war ein wesentliches Werkzeug bei der jahrzehntelangen Suche nach einer effizienten Möglichkeit zur Stromerzeugung durch die Verschmelzung von Wasserstoffatomen zur Erzeugung von Helium und Energie. Seine Aufgabe besteht darin, das Ultrahochtemperaturplasma zu erzeugen, das in einem Magnetfeld enthalten ist.

Die Methode, die Quaise zu kommerzialisieren versucht, wurde von Paul Woskov entwickelt, einem Forschungsingenieur am Plasma Science and Fusion Center des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Zu dieser Zeit suchte er nach einer Anwendung der Hochenergie-Mikrowellentechnologie, die wahrscheinlicher zu seinen Lebzeiten genutzt werden würde als die Fusionsenergie.

„Ich dachte mir, warum diese Hochleistungsstrahlen nicht statt in Fusionsplasma in den Fels richten und das Loch verdampfen lassen?“, sagte Woskov in einer Online-Geschichte des MIT.

Frühere Forschungen zum Mikrowellenbohren verwendeten Mikrowellen niedrigerer Energie, um das Gestein zu beanspruchen, sodass ein Bohrer es schneller und mit weniger Verschleiß abschleifen konnte.

Die Methode, die sich Woskov vorstellte, würde konzeptionell der Verwendung eines Lasers zum Schneiden ähneln, aber die größeren Millimeter-Mikrowellen wären besser geeignet, um größere Löcher zu erzeugen.

Die für die Tests verwendeten Hartgesteinsproben zeigten jeweils ein rundes Loch mit dunklem Rand und der Textur von erhärteter Lava oder Gestein, je nach Gestein. Wenn das Gestein gleichmäßig feinkörnig ist, kann es durch die extreme Hitze verglasen und eine Glaswand bilden.

Quaise wurde von Carlos Araque, seinem CEO, einem ehemaligen Schlumberger-Ingenieur mit Erfahrung in der Produktentwicklung, mitbegründet. Er lernte die Mikrowellenbohrmethode kennen, als er technischer Direktor der Risikokapitalgesellschaft The Engine des MIT war.

Das Unternehmen besitzt die exklusiven Rechte am MIT-Patent zur Verwendung von Mikrowellen zum Bohren und hat seit seiner Gründung im Jahr 2018 weitere Patente beantragt und erhalten, die auf den Erkenntnissen basieren.

Ziel von Quaise ist es, bis 2026 die für den Betrieb eines Pilotkraftwerks erforderlichen Bohrlöcher zu bohren und bis 2028 ein kommerzielles System bereitzustellen. Derzeit arbeitet das 28-köpfige Ingenieurteam mit Sitz in der Nähe von Houston, Boston und Cambridge, Großbritannien, an den Bohrungen Längere Löcher im Labor und Vorbereitung auf Feldtests in den nächsten Jahren.

In diesem Jahr besteht ihr Ziel darin, ein 100/1-Loch zu bohren, also ein Loch mit einer Länge von 100 Zoll und einem Durchmesser von 1 Zoll oder dem Zehnfachen ihres bisherigen Bestwerts. Gleichzeitig entwickeln sie leistungsstärkere und langlebigere Geräte, die zum Bohren größerer und längerer Löcher im Feld erforderlich sind.

Zu diesem Zweck haben sie ein 1-MWh-Gyrotron bestellt, das ihnen die Vergrößerung an einem Standort ermöglicht, an dem das Bohrgerät, das das obere Loch gebohrt hat, den Wellenleiter bedienen würde, wenn das Bohrloch tiefer geht.

„Wir entwerfen die Anlage so, dass sie die gesamte Ausrüstung aufnehmen kann, die sie in Fusionsexperimenten verwendet haben, und machen sie robuster, sodass sie mit einer typischen Landanlage verwendet werden kann“, sagte Bonebrake.

Im Vergleich zum Rotationsbohren sieht das Bohren von Löchern mit Mikrowellen so einfach aus, als würde man mit einer Strahlenkanone schießen.

Die einzige Ausrüstung im Bohrloch ist der Wellenleiter. Das für einen Wellenleiter benötigte Rohr ist erheblich leichter als das zum Bohren verwendete Rohr, da der Rohrdurchmesser schmaler und bei weitem nicht so dick ist. Dies ist möglich, da das Gewicht des Bohrers und das Drehmoment keine Faktoren für die Mikrowellenbohrleistung sind.

Im Bohrloch gibt es keine beweglichen Teile, aber es gibt viele proprietäre Designelemente im Wellenleiter, von der Art und Weise, wie er sich am Austrittspunkt verbreitert, um einen Bereich mit einheitlicher Größe zu stimulieren, bis hin zu Modifikationen innerhalb des Rohrs, um den Energieverlust zu begrenzen.

Die Aufrechterhaltung eines geraden Bohrlochpfads ist von entscheidender Bedeutung, da Biegungen einen geradlinig verlaufenden Energiestrahl beeinträchtigen können.

Dies würde eine strenge Bewältigung der Bohrlochqualitätsprobleme erfordern, die häufig bei Ölquellen auftreten, wo Bohrpfaduntersuchungen auf der Grundlage von Bohrlochmessungen während des Bohrens einen Bereich umfassen, der als „Kegel der Unsicherheit“ bezeichnet wird.

Bedenken hinsichtlich Störungen wirken sich auch auf Pläne für die Brunnenreinigung aus. Bei der Umstellung auf Mikrowellenbohren planen sie, einen Hochdruckgasstrom zu verwenden, um den Bohrschutt zu entfernen, den Bonebrake als „feine verdampfte Partikel“ bezeichnete.

Zwei Optionen im Spiel sind Stickstoff und Luft. Luft ist billiger, enthält aber etwas Wasser.

Der Mikrowellenstrahl kann kleine Wassermengen verarbeiten, die beim Bohren anfallen. Phan sagte, dass „Mikrowellen es verdampfen können“. Aber das würde nicht funktionieren, wenn sie in eine große wassergefüllte Verwerfung mit hoher Durchlässigkeit bohren würden. Solche Gefahren seien „im tiefen Grundgestein unwahrscheinlich“, sagte Bonebrake.

Ein Professor, dessen Arbeit sich auf die Eigenschaften von Formationen in diesen Tiefen konzentrierte, sagte, heißes, trockenes Gestein sei nicht völlig trocken.

„Es gibt Hinweise auf Flüssigkeiten in der gesamten brüchigen Kruste (typischerweise in den oberen 15 bis 20 km)“, sagte Mark Zoback, Geophysikprofessor an der Stanford University. Er fügte hinzu, dass „das Wasser in Brüchen und Verwerfungen konzentriert ist, aber die Matrix auch gesättigt ist, obwohl die Porosität und Durchlässigkeit recht gering sind.“

Zoback war Mitautor eines Artikels in Geology (2000), in dem er mehrere Studien zur Messung der Durchlässigkeit in Grundgestein zitierte. Es wurden große Unterschiede in der Permeabilität festgestellt, die bei kleinen Gesteinsproben im Vergleich zu großflächigeren Messungen auf der Grundlage von Drucktests beobachtet wurden. Diese Lücke wurde dadurch erklärt, dass die großen Gebiete Brüche und Verwerfungen enthielten, von denen einige isoliert waren und andere mit größeren Netzwerken von Rissen verbunden waren.

„Die hohe Permeabilität, die drei bis vier Größenordnungen höher ist als die an Kernproben gemessene, scheint durch kritisch beanspruchte Verwerfungen aufrechterhalten zu werden und erleichtert die Flüssigkeitsbewegung durch die spröde Kruste erheblich“, schreiben die Autoren.

Bei der Beschreibung der Datenquellen zeigten die Autoren, wie wenige Forschungsbohrungen in diesen Tiefen gebohrt wurden. Es wurden zwar einige extrem tiefe Ölquellen gebohrt, diese befanden sich jedoch nicht im Granit, da dort kaum Kohlenwasserstoffe zu finden sind.

Ziel von Quaise ist es, weit über die tiefste der in der Studie erwähnten Forschungsbohrungen hinaus zu bohren – das Kola Superdeep Borehole in Russland, das 12,2 km tief war. Alle anderen waren weniger als 10 km tief.

Sollten sie beim Mikrowellenbohren auf eine wassergefüllte Verwerfung in extrem tiefem Gestein stoßen, bestünde ihre erste Option laut Phan darin, das Bohrloch abzudichten, „während wir bohren und das Wasser hinter der verglasten Wand zu halten.“ Wenn das Wasservolumen deutlich größer ist, als wir abdichten können, können wir daraus einen traditionellen hydrothermischen Brunnen machen.“

Wirklich heißer, trockener Fels bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich. Um Dampf zu erzeugen, müssen Wege gefunden werden, um Strömungswege von Wassereinspritzbrunnen zu Dampferzeugern zu schaffen. Diese Brüche müssen ausreichend verengt werden, um sicherzustellen, dass das Wasser lange genug dem Gestein ausgesetzt ist, um überhitzt zu werden. Auch das Volumen spielt eine Rolle, da die Anzahl der erforderlichen kostspieligen Bohrlöcher begrenzt werden muss.

Positiv zu vermerken ist, dass es in dem Papier zur Tiefenpermeabilität natürliche Brüche gibt, die zur Bildung solcher Netzwerke beitragen. Bonebrake und Phan sagten, das Unternehmen stehe in Kontakt mit mehreren Unternehmen, die an dem Problem arbeiteten, das auch im Mittelpunkt eines staatlich finanzierten Forschungsprojekts in der FORGE-Anlage des US-Energieministeriums in Utah stehe.

„Das sind alles Dinge, die bewiesen werden müssen“, sagte Phan.

Wie Fehler die Kruste stark halten von John Townend und Mark D. Zoback. Geologie (2000) 28(5): 399–402.