Superheiße Felsenergie

Was ist superheiße Felsenergie und was sind ihre Vorteile?

Die Energie aus superheißem Gestein ist eine transformative neue kohlenstofffreie, jederzeit verfügbare Energiequelle, die für Strom, Wärme, Wasserstofferzeugung und industrielle Prozesse genutzt werden könnte. Sie hat das Potenzial, mit den meisten anderen kohlenstofffreien Energiequellen wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu sein, und könnte in weiten Teilen der Welt schnell eingesetzt werden. Sie könnte viele bestehende fossile Energieanlagen ersetzen und die Energieversorgungssicherheit durch die Bereitstellung einer lokalen Energiequelle erhöhen - und das alles mit einem relativ geringen ökologischen Fußabdruck.

Superheiße Gesteinsenergie ist eine Form der geothermischen Energie, eine beständige, abschaltbare "Grundlast"-Quelle. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energieressourcen ist geothermische Energie durchgängig verfügbar und erfordert weder den Einsatz von Batteriespeichern noch muss sie durch eine Grundlaststromquelle wie fossile Brennstoffe gestützt werden. Mit Hilfe von Tiefbohrtechnik könnten wir weltweit auf superheiße Gesteinsenergie zugreifen und so den Zugang zu Energie, die Energiegerechtigkeit und die Energiesicherheit verbessern.

Was ist geothermische Energie und wie funktioniert sie?

Geothermische Energie zapft die Energie unter unseren Füßen an. Das Innere unseres Planeten enthält natürlich vorkommende Wärme, die sich durch Konduktion und Konvektion bis zur Erdoberfläche ausbreitet. In Regionen mit "oberflächennaher Wärme", in denen konzentrierte Wärme nahe der Oberfläche zur Verfügung steht, wie in Italien, der Türkei oder im Westen der USA, funktioniert die konventionelle oder hydrothermale Geothermie, indem in Reservoirs mit erhitztem Grundwasser gebohrt und Dampf an die Oberfläche gebracht wird, um heißes Wasser für die Beheizung von Gebäuden bereitzustellen und Turbinen zur Stromerzeugung zu betreiben. Wo die Wärme in der Tiefe liegt, muss für den Zugang zu heißem Wasser tiefer in die Erdkruste gebohrt werden. In vielen Gebieten gibt es Wärme ohne eine Wasserquelle. In diesen Regionen kann Wasser nach unten geleitet werden, um durch heißes Gestein zu zirkulieren. Die Hitze verwandelt das Wasser in Dampf, der dann an die Oberfläche gebracht wird. Es gibt viele neue Innovationen, die diese Regionen zum Heizen, Kühlen und für die Stromerzeugung nutzen wollen.

Wie unterscheidet sich die Energie aus superheißem Gestein von der herkömmlichen geothermischen Energie?

Konventionelle geothermische Energie wird aus natürlich erhitztem Grundwasser in Oberflächennähe und im Allgemeinen bei Temperaturen von 150-200°C gewonnen. Die superheiße Energie wird durch Bohrungen in heißeres Gestein in größerer Tiefe (>400°C) gewonnen, wobei Wasser durch das Gestein gepresst und zirkuliert wird, um es auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen, und dann zurück an die Oberfläche zu einem Kraftwerk gepumpt wird. Bei erfolgreicher Tiefbohrinnovation könnte Energie aus superheißem Gestein überall auf der Welt gewonnen werden und wäre nicht auf Regionen mit geringer Wärme und Grundwasser beschränkt.

Wasser mit einer Temperatur von über 400 °C befindet sich in einem "überhitzten" (überkritischen) Zustand, der eine viel höhere Energiedichte aufweist und effizienter zirkulieren kann als Wasser mit niedrigeren Temperaturen. Aufgrund dieser Eigenschaften können überhitzte Felsenergiesysteme schätzungsweise das 5-10-fache der Energie herkömmlicher geothermischer Systeme erzeugen - und haben damit das Potenzial, mit den heutigen Stromkosten konkurrenzfähig zu sein. Dieses hohe Energiepotenzial wurde in Island nachgewiesen, wo das Bohrloch Krafla des Iceland Deep Drilling Project superheißes Wasser mit einer Temperatur von 452 °C und einem geschätzten Energiepotenzial von 36 Megawatt (MWe) produzierte. Im Vergleich dazu produziert ein konventionelles Geothermieprojekt etwa 7-8 MWe pro Bohrung.

Obwohl die Menschen geothermische Energie schon seit über 100 Jahren nutzen (seit 1904 in der Toskana, Italien), haben technologische Fortschritte die Energie aus superheißem Gestein erst kürzlich möglich gemacht. Im Jahr 2018 gab es weltweit nur 15 GW an konventioneller geothermischer Energie, und die Geothermie machte weniger als 0,5 % der gesamten globalen Stromerzeugung aus. Aufgrund der wesentlich höheren Energiekapazität und des Potenzials der "Geothermie überall" kann die superheiße Gesteinsenergie eine viel größere Energiequelle sein, möglicherweise im Terawattbereich.

Wo kann die Energie aus superheißem Gestein entwickelt werden?

Die Temperaturen, die für die Erzeugung von superheißem Gestein erforderlich sind, wurden bereits in Regionen erreicht, in denen die Erdwärme nahe der Oberfläche liegt, z. B. in Island, Italien, der Türkei oder im Westen der USA. Diese Regionen mit geringer Wärmeentwicklung werden wahrscheinlich die ersten sein, in denen superheißes Gestein erschlossen wird. Superheißes Gestein hat jedoch das Potenzial, auf globaler Ebene fast überall auf der Welt eingesetzt zu werden. Um die "Geothermie überall" zu erreichen, sind innovative Bohrtechnologien erforderlich, mit denen superheiße Ressourcen in Tiefen von bis zu 15 km (im Vergleich zu 7 km, die mit den derzeitigen Bohrmethoden erreichbar sind) kostengünstig erschlossen werden können. Mehrere Unternehmen arbeiten derzeit daran, die Grenzen der heutigen Bohrtechnik zu erweitern, wobei es sich bei den erforderlichen Innovationen eher um technische Neuerungen als um große wissenschaftliche Durchbrüche handelt.

Sehen Sie sich die Karte des Superhot Rock-Projekts an .

Wie viel kostet es, Energie aus superheißem Gestein zu erzeugen?

Clean Air Task Force beauftragte die Hot Rock Energy Research Organization (HERO) und LucidCatalyst mit der Schätzung der Stromgestehungskosten für künftige ausgereifte ("nth of a kind") Superheißgesteinskraftwerke. Die nivellierten Energiekosten (LCOE) sind ein Standardmaß in der Energiewirtschaft, das zum Vergleich der Kosten von Energiequellen verwendet wird. Sie werden berechnet, indem die Lebensdauerkosten eines Kraftwerks durch die gesamte von diesem Kraftwerk erzeugte Energie geteilt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ausgereiftes superheißes Gestein mit 20-35 $ pro MWh wettbewerbsfähig sein wird, verglichen mit 40 $ pro MWh, dem aktuellen US-Marktpreis für Strom.

Erzeugt superheiße Gesteinsenergie CO₂?

Die Wärme der Erde ist eine kohlenstofffreie Energiequelle. Anders als bei fossilen Brennstoffen wird bei der Stromerzeugung in trockenem Gestein kein direktes Kohlendioxid (CO₂) freigesetzt. Superheißes Gestein ist auch ein Vorteil gegenüber kommerziellen hydrothermalen geothermischen Systemen, die hydrothermale Flüssigkeiten nutzen, die manchmal Kohlendioxid enthalten. Da die Energie aus superheißem Gestein in heißem, trockenem Gestein erzeugt wird, das höchstwahrscheinlich kein freies CO₂ enthält, soll es sich um eine völlig kohlenstofffreie Energieform handeln.

Ist die Energie aus superheißem Gestein erneuerbar oder birgt sie das Risiko, die Wärme der Erde zu erschöpfen?

Bei der Energie aus superheißem Gestein besteht nicht die Gefahr, dass die Wärme der Erde verbraucht wird. Nach menschlichen Zeitmaßstäben ist superheiße Gesteinsenergie unendlich, die ultimative erneuerbare Ressource. Eine Schätzung besagt, dass 0,1 % der Erdwärme den Energiebedarf unserer Welt für 2 Millionen Jahre decken könnte. Wissenschaftler sagen voraus, dass die Erde noch Milliarden von Jahren geothermische Wärme produzieren wird, und die vom Menschen benötigte Energiemenge ist im Vergleich zur produzierten Energie winzig. Die geothermische Nutzung durch den Menschen wird die Erdwärme in keiner Weise beeinflussen.

Wie kann überhitzte Gesteinsenergie zur Erzeugung von Wasserstoff beitragen?

Die Energie aus superheißem Gestein eignet sich gut für die Erzeugung von kohlenstoffarmem Wasserstoff, der zur Dekarbonisierung schwer abbaubarer Sektoren wie dem Schwerverkehr und der Industrie eingesetzt werden kann. Es gibt mehrere Faktoren, die dafür sorgen, dass superheiße Gesteinsenergie und Wasserstofferzeugung gut zusammenpassen.

Erstens könnte die intensive Wärme und Energie, die superheißes Gestein erzeugt, für die Wasserstofferzeugung genutzt werden. Überhitzte Gesteinsenergie erzeugt Elektrizität, die für die Wasserstofferzeugung durch Hochtemperatur-Elektrolyse genutzt werden kann. Der überhitzte Dampf könnte die Effizienz der elektrolytischen Wasserstofferzeugung in Festoxid-Elektrolyseuren erhöhen.

Darüber hinaus ist superheiße Gesteinsenergie eine unerschöpfliche, feste Energiequelle, die rund um die Uhr und unabhängig vom Wetter oder anderen externen Faktoren funktioniert. Dieses Energieerzeugungsprofil ist das, was Wasserstoffanlagen brauchen, um 24 Stunden am Tag zu arbeiten.

Eine demnächst erscheinende Analyse von Lucid Catalyst, die für Clean Air Task Force erstellt wurde, schätzt, dass mit superheißem Gestein kostengünstig Wasserstoff produziert werden könnte, obwohl die Wasserstoffproduktion aus superheißem Gestein noch nachgewiesen werden muss.

Ist überhitzte Felsenergie dasselbe wie überkritische geothermische Energie?

"Superkritisch" ist ein technischer Begriff, der sich auf Wasser mit einer Temperatur von 400°C oder mehr und einem Druck von 22 MPa oder mehr bezieht. "Überhitzt" ist ein weniger technischer Begriff, der sich auf Wasser mit einer Temperatur von 400°C oder darüber bezieht, unabhängig vom Druck, sowie auf andere sehr heiße Flüssigkeiten.

Was sind technische geothermische Systeme (EGS) und Hot-Dry-Rock-Systeme, und wie hängen sie mit der superheißen Gesteinsenergie zusammen?

Geothermische Energie erfordert in der Regel eine Wärmequelle (Gestein), Wasser und durchlässiges Gestein, damit das Wasser durch das Gestein zirkulieren und die Wärme aufnehmen kann. In geothermischen Systemen, in denen heißes Gestein keine natürliche Quelle für Wasser und Durchlässigkeit enthält, muss die Durchlässigkeit hergestellt werden. Technische geothermische Systeme (EGS) sind geothermische Systeme, die kein natürliches hydrothermales Wasser nutzen. Sie werden auch als "Hot-Dry-Rock-Systeme" bezeichnet.

Die Energiegewinnung aus superheißem Gestein ist eine Unterart von EGS, bei der wesentlich heißere Temperaturen (über 400 °C) erreicht werden als bei EGS in der Vergangenheit. Beim "direkten Kontakt" mit superheißem Gestein wird Wasser durch ein Rohr in das heiße Gestein gepumpt, wo es durch winzige Risse im Gestein zirkuliert, um Wärme zu absorbieren, und dann durch ein zweites Rohr an die Oberfläche aufsteigt. Eine Alternative zur Wasserzirkulation durch Risse können Injektionssysteme mit geschlossenem Kreislauf sein, bei denen das Wasser in tief gebohrten Leitungen oder Rohren durch das heiße Gestein in der Tiefe erhitzt wird.

Was ist erforderlich, um die Entwicklung der Energie aus superheißem Gestein zu beschleunigen?

Um die Energie aus superheißem Gestein auf breiter Basis nutzen zu können, sind wichtige Innovationen erforderlich. Dazu gehören die Entwicklung von Werkzeugen, die unter den extremen Bedingungen von superheißem Gestein funktionieren, neue Materialien für den Bau von Bohrlöchern, neue Methoden, die in großer Hitze funktionieren, neue ultratiefe Bohrmethoden und neue Methoden zur Erschließung von Lagerstätten. Diese Fortschritte sind zwar technisch anspruchsvoll, aber machbar und könnten mit einer aggressiven Finanzierung relativ schnell entwickelt werden - wie es bei vielen anderen Energietechnologien der Fall war.

Ein intensives Bohr- und Ressourcenerschließungsprogramm durch gut finanzierte Konsortien könnte das Wissen und die Innovation liefern, die für die Entwicklung und rasche Vermarktung von superheißem Gestein auf der ganzen Welt erforderlich sind. Die Nutzung des unterirdischen Fachwissens und der Kapitalressourcen der Öl- und Gasindustrie könnte die rasche Entwicklung von Energiesystemen aus superheißem Gestein beschleunigen.

Der globale Regulierungsbedarf und die technische Ausstattung der Behörden müssen frühzeitig antizipiert werden, um einen Fahrplan für die Entwickler von Energie aus superheißem Gestein zu erstellen und gleichzeitig bei den politischen Entscheidungsträgern und der Öffentlichkeit das Vertrauen zu schaffen, dass diese Projekte sicher und umweltfreundlich sein werden.

Welche fortschrittlichen Bohrtechnologien werden derzeit entwickelt?

Wenn man tief in hartes Gestein bohrt, verschleißen die Bohrer schnell. Neue Innovationen wie Hammerbohren, hybrides PDC-/Partikelbohren und kontaktloses Energiebohren lösen dieses Problem, indem sie andere Wege zum Bohren finden.

• Beim Plasmabohren, wie z. B. beim Plasmabit-Bohrer, der von GA Drilling entwickelt wird, wird ein Plasmastrom abgegeben - eine extreme Wärmeenergie, die entsteht, wenn Elektronen mit Hilfe von elektrischem Hochspannungsstrom aus Atomen herausgelöst werden.
• Das Millimeterwellenbohren verdampft Gestein und wird derzeit von Quaise in Houston, TX, in Zusammenarbeit mit dem Oak Ridge National Laboratory entwickelt.
• Der PDC-Meißel hat sich in dem kristallinen Gestein bei FORGE bewährt, um die Eindringrate zu erhöhen und die Bohrzeiten erheblich zu verkürzen.
• Zu den weiteren in der Entwicklung befindlichen Technologien gehören das Hybrid-PDC-/Partikelbohren, das Projektilbohren, das Hybrid-Laserbohren und das Schlammhammerbohren.

Was sind die nächsten Schritte auf dem Weg zur Kommerzialisierung von Technologien für superheiße Gesteine?

Zahlreiche Bohrprojekte haben sich in überhitztes Gestein gebohrt. Sowohl in Island als auch in Italien wurden internationale FuE-Projekte durchgeführt, und in Regionen auf der ganzen Welt, in denen oberflächennahe überhitzte Bedingungen herrschen, sind weitere Pilotversuche in Planung. Sobald diese Pilotprojekte erfolgreich energiereiches überhitztes Wasser an der Oberfläche produzieren und letztendlich Strom erzeugen, besteht der nächste Schritt darin, die Energie aus überhitztem Gestein in kommerziellem Maßstab (z. B. 100+ MW) an Standorten mit einer großen Bandbreite an Geologien und Tiefen zu demonstrieren. In der letzten Phase wird die Energie aus superheißem Gestein in vollem Umfang weltweit kommerziell genutzt werden.

Jeder dieser Schritte erfordert einen enormen Lernprozess und stützt sich auch auf die Laborforschung zur Schaffung von Lagerstätten, Bohrungen und Oberflächeninfrastruktur. Öffentliche und private Investitionen werden in den frühen Phasen der Kommerzialisierung erforderlich sein, um Anreize für Bohrkampagnen zu schaffen und die gegenseitige Befruchtung internationaler Projekte zu fördern. Letztendlich wird die Kommerzialisierung der Energie aus superheißem Gestein Ressourcen aus der geothermischen Industrie, von Regierungen, nationalen Laboratorien, akademischen Einrichtungen und der bestehenden Energieindustrie erfordern.