АЛЬБУКЕРК, Нью-Мексико - Исследования, проводимые в Национальной лаборатории Сандия - Отдел геотермальных исследований может повысить экономическую целесообразность использования геотермальной энергии - воды, нагретой глубоко в земной коре - для производства электроэнергии.
«В настоящее время менее трех процентов электроэнергии в США приходится на геотермальную энергию, потому что ее производство обходится в два раза дороже, чем электроэнергия, полученная из природного газа. Наша работа в Sandia может помочь изменить это», - говорит Рэнди Норманн, главный исследователь проекта.
Он и его коллега Джозеф Хенфлинг экспериментируют с электроникой Honeywell на основе кремния на изоляторе (КНИ), а также оценивают и разрабатывают новые системы электронных приборов, работающие при температуре до 315 градусов по Цельсию. Это более чем на 100 градусов выше, чем у существующих в настоящее время систем. в геотермальную промышленность.
«Отрасль рассматривает это как качественный скачок», - говорит Норманн.
Проект Sandia финансируется Управлением геотермальных технологий Министерства энергетики.
Исследования могут изменить то, как промышленность решает проблемы Норманн отмечает, что использование электроники, способной выдерживать высокие температуры, важно, потому что исследования могут позволить геотермальной промышленности начать менять способы решения определенных проблем. Например, геотермальные скважины составляют примерно от одной четверти до половины стоимости геотермальной электростанции. Геотермальные скважины дороги, отчасти из-за горных пород и высоких температур бурения. Помимо стоимости скважины есть неопределенность при бурении. Даже в пределах известных продуктивных коллекторов бурильщику часто не удается попасть в продуктивную трещину. Благодаря новой высокотемпературной электронике бурильщики могут размещать направляющие инструменты за буровым долотом, чтобы управлять процессом бурения, сокращая время бурения и риск.
В настоящее время электроника и батареи, используемые в геотермальных скважинах, должны быть помещены в сосуд Дьюара, который Норманн описывает как «большой термос», сделанный из вакуумированной стали с двойными стенками. Температура в геотермальных скважинах может достигать 350 градусов по Цельсию, что слишком жарко для нормальной работы стандартной электроники без защиты сосудами Дьюара.
Однако Дьюар только выигрывает время внутри колодца до выравнивания температуры, около 10 часов.
«Каждый раз, когда один из этих инструментов Dewared извлекается из скважины во время бурения, он стоит от 8 000 до 10 000 долларов, что в конечном итоге увеличивает стоимость геотермальной энергии», - отмечает Норманн.
Он добавляет, что «В общем, все компоненты схемы существуют сегодня для использования при высоких температурах до 200 градусов по Цельсию. Эта температура слишком низкая для большинства геотермальных приложений, которые требуют приборов, способных работать при температуре до 300 градусов. C с высокой надежностью. Это покрывает около 90 процентов геотермальной отрасли», - говорит Норман.
Приборы, используемые в геотермальных приложениях, должны быть в состоянии выдерживать высокие температуры или быть помещены в защитные сосуды Дьюара, потому что геотермальная энергия берет начало в недрах земли, где самые горячие жидкости и породы на доступных глубинах связаны с недавней активностью разломов. Большая часть геотермальных ресурсов содержится в гидротермальных резервуарах, больших бассейнах с горячей водой, заключенных в трещинах и порах подземных пород и нагреваемых окружающей землей. Энергия гидротермальных резервуаров используется путем преобразования тепла в электричество.
Благодаря использованию электроники, которая будет работать при высоких температурах в течение длительного времени, необходимость в сосудах Дьюара будет устранена, что резко сократит затраты на производство геотермальных приборов и тем самым уменьшит стоимость геотермальной энергии.
Технология SOI
Среди электроники, которую тестируют Норманн и Хенфлинг, есть процессор HT83C51 с 32 килобайтами оперативной памяти производства Honeywell. Известные как электроника кремний-на-изоляторе (КНИ), они имеют транзисторы, построенные на непроводящем кремнии, по сравнению со стандартными кремниевыми чипами, которые строят транзисторы внутри объемного полупроводящего кремния. Технология SOI значительно снижает утечку тока, позволяя электронике работать в условиях высоких температур.
Чтобы полностью использовать эту технологию, Sandia разрабатывает новые методы сборки и вспомогательного оборудования. Для тестирования схемы микропроцессора потребовалось жесткое подключение интегральных схем к керамической плате с использованием соединений, сваренных лазером. Это было необходимо, поскольку стандартных печатных плат для использования при таких температурах просто не существует, а обычные припои плавятся при температуре от 180 до 250 градусов по Цельсию.
Поскольку тестирование отдельных электронных компонентов в настоящей геотермальной скважине нецелесообразно, исследователи Sandia проводят свои эксперименты в высокотемпературной печи в одной из лабораторий отдела геотермальных исследований. Приборы снаружи печи соединяются проводами с керамической изоляцией с испытуемыми электронными устройствами. Каждое устройство тестируется на работоспособность и производительность при различных температурах.
Горячие температурные пробеги
Самая продолжительная работа схемы микропроцессора Sandia при температуре 300 градусов по Цельсию составила 72 часа. Тест был прерван только для того, чтобы охладить печь и добавить новые опыты. Те же электронные устройства отработали 2500 часов при температуре 250 градусов Цельсия в течение нескольких месяцев.
Норманн предполагает, что использование высокотемпературной электроники может снизить стоимость инструментов для геотермальной каротажа на 4 500 долларов каждый, или на 20 процентов от общей стоимости инструментов, за счет устранения Дьюара. Однако, чтобы сделать регистратор практичным, необходимо провести дополнительное тестирование и разработку системы. Например, Рональд Гвидотти работает над созданием подходящей высокотемпературной батареи, которая могла бы работать в геотермальной среде без необходимости тепловой изоляции.«Учитывая прогресс, достигнутый в Sandia в разработке высокотемпературных электронных инструментов, способных непрерывно работать при температуре 300°C, успешная разработка регистратора данных Dewarless в ближайшем будущем вполне возможна», - говорит Норманн.
Sandia - многопрофильная лаборатория Министерства энергетики, которой управляет дочерняя компания Lockheed Martin Corp. С основными объектами в Альбукерке, штат Нью-Мексико, и Ливерморе, Калифорния, Sandia выполняет основные исследования и разработки в области национальной безопасности, энергетики и охраны окружающей среды. технологии и экономическая конкурентоспособность.