Die kohlenstofffreie Energiequelle, von der Sie noch nie gehört haben: Energie aus superheißem Gestein

Während die Debatte über die Dekarbonisierung weitergeht, wird die Saat für eine stille geothermische Energierevolution gesät. Wie in unserem Bericht vom Oktober 2021 beschrieben, birgt die Energie aus superheißem Gestein das Potenzial, die unerschöpflichen Wärmeressourcen der Erde anzuzapfen, um weithin verfügbaren, erschwinglichen, energiedichten, kohlenstofffreien, festen Strom und Wasserstoff in großem Maßstab zu erzeugen - Energieressourcen, die dringend benötigt werden, um dem Klimawandel und der Energiesicherheit zu begegnen. 

Heute liegt die konventionelle geothermische Stromerzeugungskapazität weltweit bei nur 15 Gigawatt (2018), was gerade einmal 15 Großkraftwerken entspricht! Einer der Hauptgründe für diese begrenzte Kapazität ist, dass wir die konventionelle Geothermie derzeit nur in Regionen der Erde einsetzen können, in denen natürlicher Dampf aus oberflächennaher magmatischer Wärme angezapft werden kann, was nur ein sehr kleiner Teil des Planeten ist. Aus diesem Grund wurde die Geothermie übersehen, als Dekarbonisierungslösung praktisch unsichtbar und als Nischenenergiequelle abgeschrieben, die nur dort zur Verfügung steht, wo die Erdkruste dünn und die Wärme oberflächennah ist - typischerweise dort, wo es in den vergangenen Tausenden von Jahren vulkanische Aktivitäten gegeben hat.   

Um die geothermische Energieerzeugung auszuweiten und sie als lebensfähige Hochenergiequelle auf dem gesamten Planeten neu zu definieren, muss die Wärme in der Regel aus größeren Tiefen genutzt werden, wo das Gestein extrem heiß ist. Dazu müssen geothermische Systeme in ansonsten trockenem Gestein - ohne natürlichen Dampf - so konzipiert werden, dass sie herkömmliche, mit natürlichem Dampf betriebene hydrothermale Systeme nachahmen. Dies geschieht durch die Injektion von Wasser in natürliche Gesteinsbrüche - oder möglicherweise durch geschlossene Kreislaufsysteme (das Wasser verbleibt in einem Kreislauf aus unterirdischen Rohren) -, in denen das injizierte Wasser erhitzt und zur Energieerzeugung an die Oberfläche zurückgeführt wird (siehe Grafik unten). Diese "Engineered Geothermal Systems" (EGS) wurden erstmals in den 1970er Jahren am Los Alamos National Laboratory untersucht.

Die heutigen EGS-Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zielen auf moderate geologische Temperaturen im Bereich von 150-300 Grad Celsius ab. EGS-Systeme müssen noch vollständig demonstriert und kommerzialisiert werden, vor allem weil die erforderlichen Investitionen in die Technik noch nicht getätigt wurden, um sie in skalierbare, erschwingliche Energiequellen zu verwandeln. Superhot Rock Energy hat das Potenzial, eine noch heißere und tiefere Erweiterung von EGS zu sein, die auf Temperaturen im Bereich von 400-450 Grad Celsius abzielt, aber bis zu zehnmal die gleiche Energiemenge an die Oberfläche bringen wie eine konventionelle Bohrung mit niedrigeren Temperaturen oder eine erwartete EGS-Bohrung. Diese um eine Größenordnung höhere Energiemenge pro Bohrung bedeutet, dass weniger Bohrungen für ein kommerzielles Kraftwerk erforderlich sind und mehr Einnahmen erzielt werden können, um die Kosten für tiefere Bohrungen und den Bau von Bohrungen auszugleichen.  

Die Möglichkeiten und der Nutzen der Energie aus superheißem Gestein sind aus den folgenden Gründen beeindruckend:  

• Die unerschöpfliche Wärme der Erde ist bereits weltweit unter unseren Füßen vorhanden - das bedeutet, dass diese Energieressource weltweit durch innovative Tiefbohrtechnologien erschlossen werden könnte. 
• Kraftwerke mit superheißem Gestein würden eine hohe Energiedichte aufweisen und nur eine kleine Fläche mit hoher Energieausbeute beanspruchen. Sie würden auf heiße Gesteinsschichten mit kilometerdicken potenziellen Reservoiren zugreifen (im Vergleich zu den für Öl und Gas typischen Reservoiren von einigen zehn Metern). Dies verleiht der superheißen Gesteinsenergie das Potenzial, praktisch unbegrenzte, feste Energie zu liefern und gleichzeitig die Energiesicherheit in verschiedenen Regionen zu erhöhen. 
• Die Elektrizität und die hohen Temperaturen von superheißem Gestein könnten genutzt werden, um durch Hochtemperatur-Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen, einen kohlenstofffreien Brennstoff, der für die Dekarbonisierung der schwer zu elektrifizierenden Teile des Verkehrssektors und anderer Sektoren entscheidend sein könnte. 
• Die Energie aus superheißem Gestein hat das Potenzial, bestehende fossile Kraftwerke umzunutzen, indem ihre Kohle-, Öl- oder Gasverbrennungssysteme durch superheißen Dampf zum Betrieb ihrer stromerzeugenden Turbinen ersetzt werden. 

Derzeit wurden weltweit etwa 30 Bohrungen nach superheißem Gestein mit einer Temperatur von über 400 Grad Celsius niedergebracht, alle in vulkanischen Geothermiegebieten - aber aus superheißen hydrothermalen Ressourcen (natürliches geologisches Wasser) wurde noch kein Strom erzeugt.  

Was sind also die Hindernisse, die uns heute daran hindern, diese Energieressource zu nutzen?

Die Energieerzeugung bei den extrem hohen Temperaturen und den zu erwartenden Tiefen für superheiße Gesteinssysteme stellt derzeit technische Herausforderungen dar, die die Art von schneller Innovation erfordern, die in den 2000er Jahren die Förderung von Öl und Gas aus Schiefergestein in nur einem Jahrzehnt beschleunigt hat. Zu diesen Innovationen für extreme Untergrundbedingungen gehören Bohrungen, der Bau von Bohrlöchern (Metalle und Zemente), geophysikalische Bohrlochsonden zur Erkennung durchlässiger oder zerklüfteter Zonen speziell in hartem Gestein, Methoden zur Erschließung von Wärmereservoiren unter Vermeidung von Erdbebenrisiken sowie Energieerzeugungsanlagen an der Oberfläche mit speziellen Turbinen zur Stromerzeugung aus dem überhitzten/überkritischen Dampf. In den letzten zehn Jahren wurden in der Tat Fortschritte erzielt, die zur Bewältigung einiger dieser Herausforderungen beitragen werden: 

• Standortauswahl (und -genehmigung): Vor der Kommerzialisierung müssen strenge Vorschriften und Genehmigungen entwickelt werden, die nur die hochwertigsten und sichersten Standorte für Projekte ausweisen, begleitet von Anforderungen an Bohrungen, Verrohrung, Betrieb und Überwachung des Untergrunds, ähnlich den Vorschriften für die geologische_{CO2-Speicherung} im Rahmen des Class-VI-Programms der U.S. Underground Injection Control Rule. CATF beabsichtigt, bei der Entwicklung der für eine sichere und effektive Projektentwicklung und -durchführung erforderlichen Regulierungsmaßnahmen eine Vorreiterrolle zu übernehmen. 
• Fortschrittliches Bohren: Unternehmen in den USA, der Slowakei und China haben neue Formen des nichtmechanischen Energiebohrens erforscht und getestet, die ein schnelles Bohren in extrem tiefen, heißen Umgebungen ermöglichen könnten. Zwei Beispiele für diese neuartigen Bohrtechnologien sind der "Plasmabit" von GA Drilling und der Millimeterwellenbohrer von Quaise, die beide darauf ausgelegt sind, hartes kristallines Gestein zu erweichen oder zu schmelzen, anstatt es direkt zu berühren oder zu schleifen wie bei herkömmlichen Drehbohrern. Das Energiebohren zielt nicht nur auf tiefere, sondern auch auf effizientere und schnellere Bohrungen ab, da der Bohrer nicht so oft gewechselt werden muss - ein Prozess, der in der Tiefe zu erheblichen Ausfallzeiten führt. Schnelle, super-tiefe Bohrmethoden wie diese könnten superheiße Gesteinsenergie über den ganzen Globus verbreiten, weshalb manche die superheiße Gesteinsenergie als "geothermisch überall" bezeichnen. Darüber hinaus müssen Methoden für das Richtungsbohren in hartem Gestein entwickelt werden, um die Bohrungen im Untergrund optimal zu gestalten und auszurichten. 
• Erweiterte Fernerkundung (im Bohrloch): Entscheidend für die Identifizierung von Gebieten mit natürlicher Bruchdurchlässigkeit sind geophysikalische Sonden. Viele der heutigen Instrumente sind an die Niedrigtemperatur-Öl- und Gasförderung in Sedimentgestein angepasst, einer ganz anderen Geologie als in "kristallinem" Hartgestein, d. h. in metamorphem und magmatischem Gestein. Es werden Anpassungen dieser bestehenden Instrumente und neue Instrumente entwickelt, die extremen Bedingungen standhalten können, aber auch nützliche Daten zur Identifizierung potenziell produktiver Zonen für die Erschließung von Lagerstätten liefern. 
• Brunnenbau: Einer der Hauptgründe für das Versagen der heutigen Bohrungen unter überhitzten Bedingungen ist die Unfähigkeit der Metalle und des Zements, den hohen Temperaturen standzuhalten. Die Geothermieindustrie hat daran gearbeitet, dies zu ändern, vor allem im Rahmen von Projekten, die von der EU unterstützt werden, wie DEEPEN. 
• Erschließung von Reservoiren: Eine der größten Herausforderungen für die Energiegewinnung aus superheißem Gestein ist die Schaffung von unterirdischen Reservoirsystemen, in die Wasser eingepresst, erhitzt und sicher an die Oberfläche zurückgeführt werden kann, ohne schädliche seismische Aktivitäten zu verursachen. Zu den in Erwägung gezogenen Methoden gehören die Identifizierung und Nutzung vorhandener Risse in Kombination mit Stimulationstechniken wie dem Hydroshearing, das die Durchlässigkeit der Risse selbst erhöhen könnte. Auch ein Thermoschock könnte Brüche verstärken, indem einfach kaltes Wasser in heißes Gestein injiziert wird. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass superheißes Gestein in einem "plastischeren" Zustand vorliegt - einem weniger spröden, geophysikalischen, seismischen Totbereich. Wenn bestehende Risse in dieser Zone stimuliert werden können, kann die Schaffung eines Reservoirs ein geringes seismisches Risiko darstellen, wie unten beschrieben. Die Verringerung des Risikos der induzierten Seismizität ist ein Ziel des FORGE-Projekts des US-Energieministeriums. Auch das DEEP-Programm der EU hat sich bemüht, das seismische Risiko in technischen geothermischen Systemen zu verringern. Drei Ansätze könnten dazu beitragen, dass superheißes Gestein induzierte Erdbeben vermeidet. Erstens hat das Japan Beyond Brittle Project die Erforschung der Eigenschaften von Gestein bei hohen Temperaturen im so genannten "spröden-duktilen Übergang" vorangetrieben, einer Zone tief in der Erde, in der das Gestein verformbarer und weniger anfällig für Brüche und Verwerfungen ist. Zweitens: Identifizierung und Nutzung vorhandener Bruchzonen im Gestein. Anstatt neue Brüche in tiefem Gestein zu erzeugen (was in großer Tiefe unmöglich sein kann), könnten bestehende Bruchzonen erweitert werden, ohne dass neue Brüche entstehen. Drittens entwickeln mehrere Unternehmen wie Eavor unterirdische geothermische Systeme mit geschlossenem Kreislauf, die Wasser ohne Brüche einleiten und fördern könnten. Diese Technologie, die einem unterirdischen Heizkörper ähnelt, wird heute in Gesteinen mit viel niedrigeren Temperaturen getestet. Schließlich, und das ist wichtig, erfordert die Risikominderung auch eine Kodifizierung der besten Praktiken bei der Standortauswahl und Überwachung im Rahmen der behördlichen Genehmigungsverfahren (siehe unten), so dass Projekte mit superheißem Gestein nicht in geologischen Gebieten mit bestehenden Verwerfungen und Erdbebenrisiko genehmigt werden.
• Fortschrittliche Oberflächenanlagen: Die ersten Projekte werden es ermöglichen, das überhitzte Wasser in Dampf zu verwandeln, der in den heutigen kommerziellen Anlagen verwendet wird. Um jedoch das volle Energiepotenzial von überkritischem/überheißem Wasser nutzen zu können, sind Hochtemperatur-/Hochdruckturbinen erforderlich. Dies kann durch die Anpassung von überkritischen Turbinen erreicht werden, die bereits in fossilen Stromerzeugungsanlagen eingesetzt werden. Das eingespritzte Wasser enthält wahrscheinlich nicht die gleichen potenziell störenden gelösten Mineralien wie natürliche überhitzte Systeme, wie sie in Island vorkommen. Dennoch könnte eine Wasseraufbereitung erforderlich sein, um Siliziumdioxid zu entfernen, das Korrosion verursachen könnte, die Oberflächenanlagen beeinträchtigen und möglicherweise Reservoirs verstopfen könnte. 

Wir brauchen in den nächsten 5 bis 10 Jahren einen erfolgreichen Konzeptnachweis für die Energie- und Stromerzeugung aus superheißem Gestein, um das Potenzial dieser Technologie zu beweisen.

Ein solches mögliches Projekt, das Newberry-Projekt von Alta Rock Energy in Oregon, ist bereit, ein bestehendes Bohrloch von 3.000 Metern Tiefe und 330 Grad Celsius auf 4.500 Meter Tiefe zu vertiefen, wobei die Bedingungen für superheiße Gesteinsenergie bei über 400 Grad Celsius liegen, um die Stromerzeugung zu demonstrieren. Damit dieses Projekt vorankommt, sind zusätzliche Finanzmittel dringend erforderlich, und CATF setzt sich aktiv für die Unterstützung von Demonstrationsprojekten durch die US-Bundesregierung ein.  

In Europa wurden zwei Bohrungen des Iceland Deep Drilling Project (IDDP) in superheißes Gestein mit Temperaturen von über 400 Grad Celsius niedergebracht. Die Tests des "Krafla"-Bohrlochs ergaben, dass pro Bohrloch eine Energieleistung von satten 35 Megawatt (MW) zur Verfügung stehen würde - im Vergleich zu einem typischen kommerziellen Geothermiebohrloch mit niedrigeren Temperaturen und einer Leistung von 3-7 MW.  

Zwar wurden in den letzten zehn Jahren weltweit mehrere solcher Bohrungen in superheißem Gestein durchgeführt, doch gibt es keine ausreichende Koordinierung und keinen klaren Fahrplan für die Demonstration, Skalierung und Kommerzialisierung der Technologie. Darüber hinaus sind die Finanzmittel für Projekte mit superheißem Gestein spärlich und von der Politik abhängig, so dass die Entwicklung dieser hochenergetischen Lösung nur langsam und stückweise vorankommt. 

CATFdie Rolle der überhitzten Felsenergie und ihre ungenutzten Vorteile 

Clean Air Task Force hat ein Expertenteam für superheiße Gesteinsenergie zusammengestellt, um die Dynamik und den Aufbau eines stabilen Ökosystems für die Kommerzialisierung dieser innovativen neuen Energietechnologie zu fördern. Wir unterstützen die Entwicklung eines globalen Fahrplans für die Energiegewinnung aus superheißem Gestein und die Entwicklung einer Strategie: Aufbau einer Interessengruppe, Durchführung grundlegender wirtschaftlicher Modelle, Förderung der regulatorischen Entwicklung für Projekte aus superheißem Gestein und Analyse der Frage, wie die Energiegewinnung aus superheißem Gestein in Zukunft zur Dekarbonisierung beitragen kann. Wir arbeiten daran, das Bewusstsein zu schärfen, indem wir die Interessengruppen aufklären, Netzwerke aufbauen, Märkte fördern und uns für staatliche Investitionen in Superheißgestein-Demonstrationen einsetzen. Unser Ziel ist es, das Verständnis, die Unterstützung und die Finanzierung für ein halbes Dutzend globaler Demonstrationsprojekte zur Energiegewinnung aus superheißem Gestein im nächsten Jahrzehnt zu beschleunigen, um den Bau von Kraftwerken aus superheißem Gestein bis 2040 zu beschleunigen. Dies bedeutet, dass in den nächsten zehn Jahren Hunderte von Millionen bis Milliarden Dollar bereitgestellt werden müssen, und zwar in der gleichen Größenordnung wie die derzeitigen staatlichen Investitionen in Kernenergietechnologien, Wasserstoff und CO2-abscheidung.  

Eine tiefgreifende Dekarbonisierung erfordert eine Revolution der sauberen Elektrizität, um die heutige ungebremste fossile Energieerzeugung zu ersetzen. Um an einer globalen dekarbonisierten Wirtschaft teilzuhaben, muss die fossile Energiewirtschaft ihre Verpflichtung zur Emissionsreduzierung bekräftigen und ihre Ressourcen, ihre bestehende Infrastruktur, ihr unterirdisches Know-how und ihr Finanzierungskapital nutzen, um die Entwicklung und Vermarktung dieser neuen Energiequelle zu unterstützen.   

Die Notwendigkeit, unser Energiesystem zu dekarbonisieren, um dem Klimawandel zu begegnen, wird immer dringender. Der weltweite Energiebedarf wird weiter steigen, und wir sind es künftigen Generationen schuldig, der Entwicklung dieser festen, immer verfügbaren erneuerbaren Energiequelle Vorrang einzuräumen. Die Geothermie aus superheißem Gestein ist eine vielversprechende Lösung, die viele der schwierigsten Probleme bei der Bewältigung des Klimawandels lösen könnte. Worauf warten wir also noch?