마이크로 터빈 드릴(MTD)로 지열 에너지용 분기 터널 굴착

편집국 기자 / 기사승인 : 2022-01-14 22:42:39
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- 시추공 굴착 오류 확률은 약 30%
- 장치의 직경은 3.6cm, 길이는 10cm로 지열 시추용 드릴 헤드
- 터빈은 약 100bar의 수압으로 구동되며 분당 최대 8만 번 회전
- 특수 드릴의 또 다른 장점은 한편으로는 매우 단단한 암석과 강철도 관통

작은 드릴, 큰 효과
더 효율적인 지열 에너지를 위한 분기 터널을 가능하게 하는 마이크로 드릴 터빈


지열 드릴링은 드릴 비트가 올바른 위치에 맞지 않기 때문에 항상 실패할 수 있다.
이러한 위험을 최소화하기 위해 현재 주요 드릴링 주변 영역도 천공하는 특수 드릴링 기술이 개발되었다. 이것은 지열 에너지로 가열된 물을 이용해 전기를 생산하는 데 사용할 수 있는 작은 터널 네트워크를 만든다. 이것은 특수하고 특히 작은 드릴링 터빈에 의해 가능하다. 

▲ 분당 8만 회 회전하는 이 마이크로 드릴 터빈은 강철과 단단한 암석도 관통한다. © Fraunhofer

에너지 전환의 일환으로 인류는 안정적이고 지속 가능한 에너지원을 찾고 있다.
풍력과 태양 에너지 외에도 지열 에너지도 여기서 중요한 역할을 할 수 있다. 지열 에너지를 사용하기 위해 수백 도의 뜨거운 물이 저수지, 균열 및 균열에서 표면으로 펌핑된다. 그곳에서 증기 터빈에서 전기를 생성하거나 지각으로 다시 방출되기 전에 열펌프 시스템에 사용될 수 있다.

그러나 종종 수천 미터 깊이의 지열 에너지에 필요한 시추공이 항상 성공적인 것은 아니다.
잘못 둟거나 아무것도 찾지 못할 위험(전문가들은 무언가를 찾을 위험이 있다고 말한다)은 약 30%이다.

많은 작은 측면 터널

프라운호퍼(Fraunhofer) 에너지 인프라 및 지열 에너지 연구소(Fraunhofer IEG)의 니클라스 가이슬러(Niklas Geißler)와 그의 팀은 최근 이러한 위험을 줄이는 데 사용할 수 있는 시추 기술을 개발했다.

이것은 "Micro Turbine Drilling(MTD)”에 의해 수행되며, 이 드릴링에서는 주정 주변 영역이 반경 약 50미터 내의 작은 측면 유정으로 천공된다. 이러한 방식으로 인접한 저수지도 수돗물을 채우고 그 내용물을 추가로 펌핑할 수 있다.

이것은 지열 시추를 보다 효율적이고 덜 위험하게 만들 것이다.
“지각까지 수 킬로미터를 관통하는 드릴링에는 수백만 유로가 소요된다. MTD로 생산할 수 있는 분기 구멍은 온수의 집수 영역을 확장한다. 발견 위험이 크게 줄어든다”고 Geißler는 설명했다.

직경이 3.6cm에 불과

MTD 기술의 핵심은 다이아몬드 입자가 포함된 텅스텐 카바이드로 끌을 만든 마이크로 드릴 터빈이다. 이 장치의 직경은 3.6cm, 길이는 10cm로 지열 시추용 드릴 헤드로서는 매우 작다.
터빈은 약 100bar의 수압으로 구동되며 이는 분당 최대 8만 번 회전한다는 것을 의미한다. “우리는 한 시간에 2~3미터를 이동할 수 있습니다. 마이크로터빈을 구동하는 물은 드릴이 과열되지 않도록 냉각수 역할도 하고 ​​드릴링 먼지를 제거하기 위한 세척 역할도 한다”고 Geißler가 설명했다.
▲ 마이크로 드릴 터빈은 중심 시추에서 45도 각도로 기울어져 실행된다. © Fraunhofer

무엇이든 준비 가능

특수 드릴의 또 다른 장점은 한편으로는 매우 단단한 암석과 강철도 관통할 수 있다는 것. 메인 홀은 일반적으로 강철 케이스로 되어 있고 측면 홀은 MTD 기술을 사용해 나중에 드릴로 뚫기 때문에 이것은 특히 중요한 기술이다. 이것은 드릴 헤드를 교체하지 않고 금속과 암석을 모두 뚫을 수 있는 유일한 방법이다.

연구원들에 따르면, 또 다른 문제는 마이크로 드릴링 헤드가 주요 드릴링 방향에서 어떻게 편향되어 상대적으로 큰 받음각으로 주변 암석에 들어갈 수 있는지에 대한 질문이었다. 이를 위해 그들은 드릴이 약 45도 각도로 메인 시추공 밖으로 안내되도록 하는 특수 편향 슈를 개발했다.

개발은 계속 이어져

다음 단계에서 연구원들은 드릴링 모니터링을 위한 음향 시스템을 개발하기를 원한다.
메인 보어에서 나오는 강관의 도움으로 사이드 보어의 소음을 분석할 수 있는 위로 향하게 하려고 한다. 드릴링 중에 발생하는 음향 펄스 패턴을 분석하여 현재 비트가 작동 중인 암석의 유형을 식별할 수 있다. 드릴이 올바른 속도로 회전하고 있는지, 멈춘 상태인지, 심지어는 유휴 상태인지 확인하는 데에도 사용할 수 있다.

Geißler에 따르면 이 기술은 지열 응용 분야에만 사용할 수 없다.
"일반적으로 MTD는 잠재적으로 이질적인 암석 유형이 있는 유정 주변을 탐색하는 것이 중요한 모든 깊은 유정에서 사용할 수 있다. 여기에는 석유와 가스 산업도 포함된다”고 과학자는 말했다. "지질 공학이나 터널 건설 분야에서 이 미세 드릴링 기술은 예를 들어 공간상의 이유로 기존 장비를 사용할 수 없는 접근이 어려운 곳에 앵커 구멍을 뚫는 데에도 사용할 수 있다."
출처: Fraunhofer-Gesellschaft

[더사이언스플러스= The SCIENCE Plus]

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