Des chercheurs norvégiens contribuent au développement du puits géothermique le plus chaud du monde dans une zone non volcanique. L'objectif est d'exploiter l'apport inépuisable de chaleur de l'intérieur de la Terre, et cela nécessite des équipements capables de résister aux conditions les plus extrêmes.

Une équipe de recherche internationale a récemment achevé un projet européen de trois ans appelé DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Super-critique, Ambientes d'Europe continentale). Ensemble, l'équipe du projet a foré un puits d'essai dans un champ géothermique en Toscane en Italie. La société italienne Enel Green Power, producteur mondial d'énergie verte, dirige le projet, avec le SINTEF comme partenaire de recherche. Ensemble, ils tentent d'exploiter les forces naturelles trouvées à trois kilomètres plus près du noyau de la Terre.

Le forage est le puits géothermique le plus chaud au monde dans une zone non volcanique. Parce que la chaleur terrestre est rencontrée près de la surface en Italie, le pays est riche en zones propices au forage géothermique - avec des températures torrides atteignant 500-600 degrés Celsius, résultant en une eau supercritique que les chercheurs espèrent découvrir. Et ils ont de très bonnes raisons. S'ils parviennent à exploiter l'énergie de cette eau, ils peuvent forer des puits géothermiques dix fois plus efficaces que ceux actuellement en exploitation. Cela a le potentiel de réduire considérablement les coûts et d'ouvrir la voie à un avenir énergétique fantastique basé sur des ressources purement naturelles. Cependant, dans sa phase supercritique, le liquide est corrosif et attaque tout équipement de forage qui le rencontre.

Bombe à énergie supercritique

"Nous sommes confrontés à beaucoup de grands défis, mais nous avons parcouru un long chemin, " dit Magnus Hjelstuen, Responsable de recherche chez SINTEF Instrumentation pour environnements difficiles.

L'équipement de mesure que SINTEF a développé dans le cadre de ce projet est un "outil de diagraphie filaire" qui peut mesurer les températures et les pressions de fond de trou. De telles mesures sont cruciales dans la recherche de l'eau supercritique extrêmement riche en énergie. Les données de température et de pression indiquent quand le trépan est entré dans une zone contenant une telle eau, et les propriétés géothermiques du puits (à la fois la température maximale et les changements de température causés par le forage) nous indiqueront la quantité d'énergie que le puits peut produire.

Étant donné que les câbles électriques ne fonctionnent pas à des températures supérieures à 350 °C, L'équipement de mesure du SINTEF est alimenté par batterie. La température est enregistrée en profondeur dans le forage et est relevée lorsque l'appareil revient à la surface.

Dans sa phase supercritique, le liquide est corrosif et attaque tout équipement de forage qui le rencontre.

Ce n'est pas une tâche simple. À deux ou trois kilomètres à l'intérieur de la Terre, la température et la pression augmentent énormément. Quelque chose de très spécial se produit lorsque la température atteint 374 degrés et que la pression est 218 fois la pression de l'air à la surface. Nous rencontrons ce que nous appelons de l'eau supercritique. Cette eau est dans un état physique qui passe de liquide à gazeux - et de là à une phase supercritique, dans lequel il n'est ni l'un ni l'autre.

C'est cette forme spéciale d'eau, pas encore découvert, que recherchent les chercheurs. Pour atteindre les conditions qui le rendent supercritique, l'eau doit avoir une température d'au moins 374°C, sous des pressions de 200 bars.

"Une colonne d'eau à température ambiante doit être prélevée à une profondeur de 2,2 kilomètres sous la surface pour atteindre une pression de 220 bars, " explique Hjelstuen.

Mais quand la température de l'eau monte, sa densité diminue. Cela signifie qu'il faut aller encore plus loin pour passer les 220 bars et atteindre des conditions supercritiques. Si l'eau est contaminée par des gaz et des minéraux, ce qui est toujours le cas dans un puits géothermique, la température doit être encore plus élevée pour que l'eau devienne supercritique.

Équipement extrême

SINTEF utilise une électronique et des capteurs aux capacités extrêmes. Certains des composants sont d'usage courant, tandis que d'autres sont encore au stade de prototype. Le défi pour les chercheurs norvégiens a été de combiner les capteurs et l'électronique, puis développer un logiciel informatique qui permet aux composants de fonctionner ensemble.

"Notre défi a été de trouver une combinaison de composants existants qui peuvent fonctionner de manière optimale dans nos limites en termes de longueur d'instrument, poids et diamètre - notamment en raison de l'environnement que l'équipement rencontrera dans le puits, " dit Hjelstuen.

L'instrument mesure 2,6 mètres de long et pèse 50 kilogrammes, mais a un diamètre de seulement 76 millimètres.

"Par exemple, nous utilisons un microcontrôleur qui fonctionne à des températures allant jusqu'à 300°C. Ceci n'est disponible qu'en tant que premier prototype (échantillon technique). Nous avons donc travaillé en étroite collaboration avec le fabricant pour le faire fonctionner comme nous le souhaitons, " il ajoute.

Pression et température intenses

Maintenant, la température limite pour l'électronique est d'environ 250°C, et cela signifie que la gamme de composants disponibles est très restreinte. Le nombre de batteries appropriées n'est pas non plus important. Par exemple, les batteries les plus robustes du marché fonctionnent à des températures de seulement 70 à 200°C et exploseraient si elles étaient soumises à une température de 215 degrés. La fabrication d'équipements de mesure peut donc être un processus difficile.

« Depuis que nous commençons à forer dans des conditions de surface normales, la température un jour d'hiver peut descendre jusqu'à 0°C au départ, s'élevant à plus de 400°C au fond d'un puits. Faire face à de telles fluctuations impose d'énormes exigences à l'équipement. Nous avons créé une sorte de "flacon Thermos inversé" dans lequel la température intérieure est maintenue en dessous de 210 degrés afin de réduire les contraintes sur l'équipement, " dit Hjelstuen.

Les capteurs sont testés et testés avant d'être expédiés sur le terrain.

« À chaque étape, une quantité énorme de tests doit être effectuée de manière à simuler aussi étroitement que possible l'environnement que nos instruments rencontreront dans le puits. Nous avons notamment utilisé un four à Raufoss pour tester la technologie à des températures allant jusqu'à 450 °C.

Potentiel énorme

Dans le processus d'exploitation de l'énergie dans l'eau supercritique, les chercheurs ont fait bon usage de l'expérience de l'industrie pétrolière norvégienne dans le forage de puits de pétrole profonds. L'exploitation de la chaleur géothermique a beaucoup de points communs avec la récupération du pétrole. Des technologues pétroliers font donc partie de l'équipe. Cependant, considérant que nous avons réussi pendant de nombreuses décennies à exploiter le potentiel des ressources pétrolières, personne n'a encore réussi à exploiter l'eau supercritique.

« Si nous parvenons à exploiter la chaleur géothermique, il y en aura suffisamment pour alimenter toute la population de la planète en énergie pendant de nombreuses générations. Il existe des centrales nucléaires où l'eau qui remplit les conditions d'une eau supercritique est alimentée par des turbines, nous savons donc que nous pouvons réussir à exploiter l'énergie de cette eau une fois que nous avons réussi à l'extraire. »

Dans la descente la plus profonde du projet dans la Terre, l'équipe de recherche a effectué des mesures à une profondeur de 2810 mètres. Ici, la température a atteint 443,6°C.