Zespół z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego pracujący nad projektem DeepU (fot. materiały zespołu)

Czy możliwe jest takie połączenie lasera z technologią kriogeniczną, by zagwarantować szybkie i niezawodne wykonywanie głębokich odwiertów geotermalnych? Sprawdzają to badacze z kilku europejskich ośrodków naukowych wspólnie z firmami z Włoch, Niemiec i Irlandii. Wyzwaniem jest m.in. miniaturyzacja znanych rozwiązań. W prace zaangażowany jest zespół z Katedry Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej na PWr.

Wspólne badania trwają od 2022 r. dzięki finansowaniu z programu Horyzont Europa*. Liderem projektu „DeepU**” jest Uniwersytet w Padwie, a wśród uczestników konsorcjum – Politechnika Wrocławska, a konkretnie zespół prof. Macieja Chorowskiego z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego.

Rozwiązanie, nad którym pracują, ma zwiększyć możliwość wykorzystywania głębokich zasobów geotermalnych (powyżej 4 km w głąb ziemi) na potrzeby niskoemisyjnego ogrzewania czy wytwarzania energii. Zamierzają bowiem opracować metodę, która ma zmniejszyć koszty odwiertów i przyspieszyć ich tempo.

Podziemne kruszenie i dmuchanie

Konsorcjanci sprawdzają, czy możliwe będzie „wiercenie” z wykorzystaniem lasera (słowo wiercenie może tu być mylące, bo tak naprawdę chodzi o odkruszanie drobnych kawałków skały, czyli spalację) z jednoczesnym transportem (wydmuchiwaniem) odkruszonych przez laser odłamków (niczym podziemna dmuchawa do liści).

Technologia kriogeniczna jest tu kluczowa, bo bez niej niemożliwe byłoby przetransportowanie na tak dużą głębokość gazu sprężonego (ze względu na m.in. opory przepływu czy kwestię wytrzymałości urządzeń).

- Nasza technologia oznacza rezygnację z wykonywania tzw. rdzenia wiertniczego, czyli wycinka skały uzyskiwanego z przewiercania warstw skały świdrem rdzeniowym. Sprawia to, że z odwiertu nie da się pozyskiwać materiału do badań struktury geologicznej, ale jednocześnie pozwala nam to szybciej dostać się do warstw ciepłonośnych – tłumaczy prof. Chorowski.

Kluczowy problem? Zmniejszanie

Uczestnicy konsorcjum przygotowują m.in. nowe projekty przewodu wiertniczego i platformy wiertniczej. Przewód z odpowiednimi soczewkami ma kierować wiązkę lasera w dół, jednocześnie transportując gaz kriogeniczny do głowicy wiertniczej. W wieży i platformie wiertniczej znajdą się systemy wiercenia laserowego i obrotowego, zbiornik ciekłego gazu kriogenicznego oraz instalacja odpylania z separatorem gazu i systemem recyklingu.

– Rolą naszego zespołu na PWr jest zaproponowanie konkretnych technicznych rozwiązań systemu kriogenicznego, co w kontekście odwiertu jest niezwykle ambitnym wyzwaniem – opowiada prof. Chorowski. – Musimy doprowadzić ponad cztery kilometry w dół zimny czynnik, czyli taki o temperaturze -200 st. C, w postaci skroplonego lub nadkrytycznego gazu. Konieczne jest więc zaprojektowanie naszego układu w zupełnie innych konfiguracjach niż te do tej pory stosowane w konstrukcjach kriogenicznych – ze względu na restrykcje związane z geometrią całego układu. Innymi słowy: w niewielkim otworze musimy zmieścić technologie, które normalnie stosuje się, np. w ogromnych rurociągach podających skroplony gaz, np. do huty.

Jak zaznacza prof. Chorowski, technologie rozwijane w „DeepU” są powszechnie wykorzystywane: – Ale nie razem, nie na tak dużej głębokości, nie przy takiej średnicy otworu i nie w takich temperaturach, jakie musimy wziąć pod uwagę. To wszystko sprawia, że naszym wspólnym zadaniem w ramach konsorcjum jest sprawdzenie, na ile zaprojektowanie układów, które będą działały w takich warunkach, jest wykonalne. Jeśli nam się uda, będzie to duży przełom dla branży energetycznej – podkreśla profesor.

Specjalne stanowisko badawcze

Zespół musi wziąć pod uwagę wiele aspektów pracy całego układu – choćby wielkość odłamków skalnych, które powstaną w czasie odkruszania. Dlatego w Hamburgu we Fraunhofer IAPT (instytucie należącym do Towarzystwa Fraunhofera) trwają testy wpływu rodzaju skały, mocy lasera czy długości ekspozycji na proces spalacji.

Badacze na Politechnice Wrocławskiej mają już natomiast za sobą prace związane ze stworzeniem modelu transportu pneumatycznego i obliczenia dotyczące wymiany ciepła. Teraz opracowują projekt stanowiska, na którym będą testować możliwość podawania gazu w określonej geometrii i skuteczność prowadzenia transportu odkruszonych fragmentów skały.

Prace nad projektem mają potrwać do lutego przyszłego roku. W „DeepU” zaangażowanych jest kilka ośrodków naukowych: Uniwersytet w Padwie, Politechnika Wrocławska, Fraunhofer IAPT i The Italian National Research Council (CNR, Consiglio Nazionale Delle Ricerche) oraz firmy: włoska R.E.D. SRL, niemiecka Prevent i irlandzka GeoServ.

Więcej informacji na temat projektu na jego stronie internetowej.

*Finansowanie w wysokości 2,99 mln euro przyznano z programu EIC Pathfinder (Filar III Innowacyjna Europa) Ramowego Programu Unii Europejskiej Horyzont Europa. Program wspiera projekty na wczesnym etapie, czyli technologie „high-risk/high gain”.

**Pełna nazwa projektu to „DeepU – innowacyjny projekt wykonywania głębokich odwiertów na potrzeby pozyskiwania energii geotermalnej: przełomowa idea sprzęgnięcia lasera z technologią kriogeniczną”.

lucy