Stecker in der Erde? Holen Sie sich Wärme aus den Felsen!

Wenn wir die Erde vom Weltraum aus betrachten, sehen wir einen wunderschönen blauen Planeten. Da das Blau des Ozeans und das Grün des Waldes beides kühle Farben sind, könnte uns eine solche Erde klar und kühl erscheinen.

Allerdings können uns die Augen immer täuschen und die tatsächliche Situation kann unsere Erwartungen übertreffen. Die Erde ist eigentlich ein kleiner Feuerball, der außen kalt und innen heiß ist und in seinem Inneren eine sehr große Wärmemenge speichert. Obwohl man sie nicht mit einem großen Feuerball wie der Sonne vergleichen kann, schätzt man, dass die Temperatur im Erdmittelpunkt erstaunliche 6.000 °C erreicht hat.

Abbildung 1: Innere Struktur der Erde. Bildquelle: flickr/Argonne's Advanced Photon Source

Einige Wissenschaftler glauben, dass es drei Hauptquellen für die Wärme der Erde gibt: erstens die Wärme, die durch den Zerfall radioaktiver Elemente im Erdinneren entsteht; zweitens die Wärme, die aus der potentiellen Gravitationsenergie entsteht, wenn die dichte Materie im Erdinneren zum Erdmittelpunkt sinkt; und drittens die Wärme, die bei der Entstehung der Erde noch nicht verflogen war. Alles in allem handelt es sich hierbei um Wärme, die von der Erde selbst erzeugt wird.

Können diese Energien vom Menschen genutzt werden? Heute stelle ich Ihnen eine Art „Energie der Zukunft“ vor: Hot Dry Rock.

Neben den heißen Quellen sind auch die Felsen unter der Erde heiß.

Obwohl es im Erdkern heiß ist, zeigen die Daten, dass die durchschnittliche Oberflächentemperatur im Jahr nur etwa 15 °C beträgt. Dies liegt daran, dass die Wärme allmählich vom Erdinneren an die Oberfläche abfließt und die Temperatur immer weiter sinkt, was ebenfalls zu einem geothermischen Gradienten in den Schichten führt. In oberflächennahen Gebieten beträgt der durchschnittliche geothermische Gradient 3 °C/100 m, d. h., die Temperatur steigt pro 100 m unter der Erde um 3 °C. Umgekehrt sinkt die Temperatur um 3 °C, je näher man der Oberfläche kommt, und zwar 100 m.

Nachdem die Menschen die Wärme aus dem Untergrund entdeckt hatten, wollten sie diese nutzen. Sie nannten es geothermische Ressourcen und unterteilten es je nach Produktionsmethode in hydrothermale geothermische Ressourcen und trockene geothermische Ressourcen.

Hydrothermale geothermische Ressourcen können einfach als unterirdisches heißes Wasser verstanden werden. Heiße Quellen sind eine Art hydrothermaler geothermischer Ressource, die aus unterirdischem heißem Wasser entsteht, das an die Oberfläche sprudelt. Ein Teil des unterirdischen Warmwassers tritt nicht an die Oberfläche, sondern ist unter der Erde eingeschlossen. Neben heißen Quellen ist das Yangbajing-Geothermiefeld in Tibet das bekannteste Anwendungsbeispiel für hydrothermale geothermische Ressourcen in China. 1977 baute mein Land hier ein Geothermiekraftwerk und erzielte gute Ergebnisse.

Abbildung 2: Heiße Quellen nutzen hydrothermale geothermische Ressourcen. Bildquelle: Wikipedia

Entsprechend kann man sich Trockenwärme-Geothermie so vorstellen, dass die unterirdischen Gesteinsformationen zwar sehr heiß sind, dort aber kein oder nur sehr wenig Wasser vorhanden ist. Bezieht sich im Allgemeinen auf Hochtemperaturgestein, das 3 bis 10 km tief in der Erdkruste vergraben ist und eine Temperatur von über 180 °C aufweist (einige Wissenschaftler gehen von 150 °C oder 200 °C aus). Trockene geothermische Ressourcen werden daher auch als trockenheiße Gesteine ​​bezeichnet.

Der Grund, warum wir die Tiefe von 3 bis 10 km betonen, liegt nicht darin, dass es in größeren Tiefen nicht heißer ist, sondern darin, dass wir keine größeren Tiefen erreichen können. Der tiefste Bohrrekord, der derzeit von Menschenhand gehalten wird, ist der Kola-Supertiefbrunnen in der Sowjetunion, der 20 Jahre brauchte, um eine Tiefe von 12,2 km zu erreichen, und der extrem teuer war. Daher konzentrieren wir uns im Allgemeinen nur auf Orte mit einem relativ hohen geothermischen Gradienten, d. h. Orte, an denen es sehr heiß werden kann, ohne tief zu graben, und an denen das Input-Output-Verhältnis relativ hoch ist. Chinas heiße Trockengesteinsvorkommen konzentrieren sich hauptsächlich im Yangbajing-Gebiet von Tibet, im Tengchong-Gebiet von Yunnan und im Gonghe-Becken von Qinghai.

Abbildung 3 Verteilungskarte der Hot Dry Rock-Ressourcen in China Bildquelle: Referenz [13]

Die Vorkommen an heißem, trockenem Gestein sind beträchtlich. Nach vorsichtigen Schätzungen des MIT liegen die gewinnbaren Reserven an heißem, trockenem Gestein in der Erdkruste bei etwa 1,3 × 1027 J, was für eine weltweite Nutzung für etwa 217 Millionen Jahre ausreicht. Laut Statistik betragen die heißen Trockengesteinsvorkommen in einer Tiefe von 3 bis 10 km auf dem chinesischen Festland etwa 2,52 × 1025 J, was ungefähr 860 Billionen Tonnen Standardkohle entspricht. Basierend auf Chinas Gesamtenergieverbrauch von 5,24 Milliarden Tonnen Standardkohle im Jahr 2021 könnte die Energieversorgung Chinas 3.282 Jahre lang aufrechterhalten werden, wenn die Abbaurate dieses Teils des heißen, trockenen Gesteins 2 % erreichen kann.

Doch warum haben wir heißes, trockenes Gestein noch nicht abgebaut und genutzt, obwohl es eine so ergiebige Ressource ist?

Die Energie ist attraktiv, aber nicht leicht abzubauen

Obwohl die Aussichten auf heiße Trockengesteinsvorkommen sehr attraktiv sind, ist ihr Abbau äußerst schwierig. Erst in den 1970er Jahren gelang ein großer theoretischer Durchbruch. Im Jahr 1970 schlug das Los Alamos National Laboratory in den Vereinigten Staaten das Konzept des Enhanced Geothermal System (EGS) vor. Das Grundprinzip ist im Großen und Ganzen folgendes: In das geothermische Reservoir werden zwei Bohrungen gebohrt, eine Injektionsbohrung und eine Produktionsbohrung. Injizieren Sie kaltes Wasser in die Injektionsbohrung. Nachdem das kalte Wasser durch das geothermische Reservoir geflossen und erhitzt wurde, wird heißes Wasser durch die Produktionsbohrung nach oben gepumpt. Dieses heiße Wasser kann dann zum Heizen oder zur Stromerzeugung genutzt werden. Nach der Verwendung kann das Wasser zur Wiederverwendung unterirdisch geleitet werden.

Abbildung 4 Schematische Darstellung des EGS-Projekts Bildquelle: Eigenerstellung des Autors

Diese Lösung klingt auf den ersten Blick einfach und kostengünstig, denn sie ermöglicht es, kaltes Wasser in das geothermische Reservoir zu leiten und anschließend mit voller Wärmeladung wieder zurückzukehren. Tatsächlich gibt es jedoch viele technische und ingenieurwissenschaftliche Schwierigkeiten. Beispielsweise sind die Schichten, in denen heiße Trockengesteinsvorkommen vorkommen, oft heiß und hart, was das Bohren schwierig und kostspielig macht. Ein weiteres Beispiel ist, dass das heiße, trockene Gesteinsreservoir dicht und undurchlässig sein kann, sodass das eingespritzte kalte Wasser nicht um die Bohrbohrung herum diffundieren und die Wärme aufnehmen kann und nur schwer zur Produktionsbohrung fließen und abgepumpt werden kann.

Zwar können wir die Durchlässigkeit des Reservoirs durch die Technik des hydraulischen Aufbrechens (Injizieren von Hochdruckwasser, um die Reservoirstruktur zu zerstören und darin ein Netzwerk von Rissen zu bilden) verbessern, doch da unterirdische Operationen unsichtbar und nicht greifbar sind, lässt sich nur schwer gewährleisten, dass sich die Risse erst nach dem Injizieren des Hochdruckwassers in die von uns gewünschte Richtung entwickeln. Sollte es sich in eine Richtung weg von der Produktionsbohrung entwickeln, können wir das eingespritzte Wasser nicht auffangen.

Abbildung 5: Schematische Darstellung der Technologie des hydraulischen Aufbrechens, bei der eine wässrige Lösung unter hohem Druck in den Boden injiziert wird und durch hohen Druck Risse in der Gesteinsformation erzeugt werden. Bildquelle: Wikipedia

Im Jahr 1973 starteten die Vereinigten Staaten das Hot-Dry-Rock-Testprojekt Fenton Hill. Obwohl das Projekt letztlich aufgrund von Defekten an der Bohrausrüstung und enormen Ingenieurkosten scheiterte, bestätigte es zugleich die Machbarkeit der EGS-Technologie und spielte eine entscheidende Rolle bei der Förderung der Nutzung von Hot-Dry-Rock-Geothermie. Seitdem haben Länder auf der ganzen Welt eine Reihe von EGS-Engineering-Versuchen gestartet. Darunter ist das von Frankreich, Großbritannien und Deutschland gemeinsam in Soultz entwickelte EGS-System derzeit das erfolgreichste EGS-Demonstrationsprojekt, bei dem 2008 die Stromerzeugung aus heißer, trockener Gesteinswärme gelang.

Nach dem Erfolg der EGS-Technologie in Europa haben auch Länder wie die USA, Südkorea und China die Forschung auf diesem Gebiet beschleunigt. Im April 2015 begann das US-Energieministerium mit der Umsetzung des „Frontier Geothermal Energy Observatory Research Program“ (FORGE), das auf der Nutzung von heißem, trockenem Gestein basiert und so die Erde „verstopft“. Ziel ist es, die installierte Gesamtkapazität der EGS-Stromerzeugung bis 2050 auf 100.000 Megawatt zu steigern, was vier Drei-Schluchten-Staudämmen entspricht.

Südkorea startete 2016 seinen ersten Versuch für ein EGS-Projekt, Pohang EGS. Doch 2017 ereignete sich in der Nähe des Projektstandorts ein Erdbeben der Stärke 5,5. Einige Studien gehen davon aus, dass das Erdbeben möglicherweise durch die unterirdische Wasserinjektion des Projekts ausgelöst wurde, sodass das Projekt gestoppt werden musste.

Abbildung 6: Eine Ecke des Erdbebens von Pohang 2017 in Südkorea, eines der stärksten Erdbeben des Landes in den letzten Jahren, steht vermutlich höchstwahrscheinlich im Zusammenhang mit EGS. Bildquelle: Wikipedia

Im Mai 2017 bohrten chinesische Wissenschaftler im geothermischen Bohrloch GR1 im östlichen Teil des Gonghe-Beckens in Qinghai in einer Tiefe von 3.705 Metern auf eine Hochtemperatur-Gesteinsmasse mit einer Temperatur von 236 °C. Dies war das erste Mal, dass in China die flachste und heißeste trockene Felsmasse entdeckt wurde. Im Januar 2022 wurde im Gonghe-Becken das erste experimentelle Kraftwerk des Landes auf Basis von heißem Trockengestein erfolgreich ans Netz angeschlossen, was einen bedeutenden historischen Durchbruch darstellte.

Abbildung 7: Standort für Heiß-Dry-Rock-Fracturing und Richtbohren im Gonghe-Becken. Bildquelle: China Geological Survey

Zusätzlich zur traditionellen EGS-Methode haben einige Wissenschaftler einen anderen Ansatz gewählt. Darunter ist es erwähnenswert, dass die Schwerkraft-Heatpipe-Technologie von chinesischen Wissenschaftlern als Innovation vorgeschlagen wurde. Das Prinzip ist ganz raffiniert: Man führt ein Rohr mit extrem guter Wärmeleitfähigkeit in die heiße, trockene Gesteinsformation ein, und dann leitet das Wärmerohr die Wärme automatisch nach oben. Aufgrund der großen Entfernung kann die Effizienz der Wärmesammlung jedoch gering sein, wenn nur Wärmerohre verwendet werden. Aus diesem Grund können wir Ammoniakwasser in die Leitung einspritzen. Ammoniakwasser verdampft nach dem Erhitzen leicht und die Wärme kann problemlos in Form von Dampf zugeführt werden, wodurch die Wärmeaufnahmerate weiter verbessert wird.

Im Januar 2022 berichtete China Science Daily, dass der China Geological Survey und das Guangzhou Institute of Energy Conversion der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam das mit 4.200 Metern längste Schwerkraft-Wärmerohr-Wärmeextraktionstestgerät des Landes entwickelt hätten. Ein dreimonatiger Heiztest vor Ort im Xiongan New Area zeigte, dass die kurzfristige Heizleistung eines einzelnen Brunnens 1,3 Megawatt erreichen kann, bei einer durchschnittlichen Heizleistung von 800 Kilowatt. Der langfristig stabile Betrieb kann eine Heizfläche von mehr als 20.000 Quadratmetern unterstützen. Dieser technologische Durchbruch ist auch ein wichtiger Beitrag der wissenschaftlichen und technologischen Mitarbeiter unseres Landes zur weltweiten Nutzung geothermischer Ressourcen.

Abbildung 8 Schematische Darstellung der Schwerkraft-Heatpipe-Technologie Bildquelle: Eigenerstellung des Autors

Wie lassen sich die versteckten Gefahren des Heiß-Trocken-Gesteinsabbaus lösen?

Manche Menschen sind besorgt über die Probleme, die der Abbau von heißem, trockenem Gestein verursachen kann.

Eine Möglichkeit besteht darin, Erdbeben auszulösen, wie beispielsweise das oben erwähnte Erdbeben in Korea. Tatsächlich wird das Erdbebenproblem hier jedoch hauptsächlich durch hydraulisches Aufbrechen verursacht. Auch bei anderen Arbeiten, bei denen die Fracking-Technologie zum Einsatz kommt, wie etwa bei der Schiefergasförderung, können ähnliche Probleme auftreten. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass Fracking nur begrenzte Auswirkungen auf Erdbebenaktivitäten über der Stärke 3 hat. Gleichzeitig können durch Fracking ausgelöste Mikroerdbeben dazu beitragen, angesammelte Bodenspannungen oder Energie freizusetzen und so das Risiko schwerer Erdbeben zu verringern. Darüber hinaus glauben einige Wissenschaftler, dass durch hydraulisches Aufbrechen verursachte Erdbeben kontrolliert werden können.

Die zweite besteht darin, das Leben auf der Erde zu beeinflussen. Geothermische Ressourcen sind Teil der Erdwärme. Wenn wir auf eigene Faust Erdwärmeressourcen abbauen, befürchten manche vielleicht, dass wir damit die Gans töten, die die goldenen Eier legt. Es sollte gesagt werden, dass die enorme Hitze im Inneren der Erde tatsächlich ein Symbol dafür ist, dass die Erde noch „lebt“. Es ist die Energiequelle für verschiedene geologische Aktivitäten auf der Erde, wie Vulkanausbrüche und Erdbeben. Wenn es eines Tages verbraucht wird, kann die Erde wie der Mond abkühlen und zu einer Einöde ohne Vitalität werden. Doch darüber muss man sich keine allzu großen Sorgen machen, denn die geringe Wärme, die der Mensch gewinnt, ist im Vergleich zur gesamten Erde wirklich nur ein Tropfen auf den heißen Stein. Und selbst wenn der Mensch sie nicht wegnimmt, wird die Erde ihre gewaltige Energie durch Vulkane oder Erdbeben freisetzen.

Drittens verbraucht es viel Wasser und beeinträchtigt die ökologische Umwelt. Während des Umbauprozesses des EGS-Reservoirs werden üblicherweise Zehntausende Kubikmeter Wasserressourcen verbraucht. Beispielsweise überstieg der Verbrauch an Fracking-Flüssigkeit im oben erwähnten Soultz-Projekt 100.000 Kubikmeter. Die heißen Trockengesteinsvorkommen meines Landes sind hauptsächlich in trockenen Gebieten wie Qinghai und Tibet verbreitet, wo die Wasserressourcen knapp und die Ökologie fragil ist. Probleme wie die Verschwendung von Wasserressourcen und die durch das Fracking verursachten Umweltschäden können nicht ignoriert werden. In diesem Zusammenhang haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, überkritisches CO2 als Fracking-Flüssigkeit zu verwenden, um Wasserressourcen zu sparen und zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität beizutragen. Es handelt sich derzeit um einen Forschungsschwerpunkt und wir hoffen, dass es so bald wie möglich in großem Maßstab in der Praxis angewendet werden kann.

Abschluss

Obwohl viele Länder ehrgeizige Pläne zur Ausbeutung heißer Trockengesteinsvorkommen formuliert haben, befinden sie sich im Allgemeinen noch immer in der Phase experimenteller Erkundungen im kleinen Maßstab. Wang Guiling, ein Forscher an der Chinesischen Akademie der Geologischen Wissenschaften, erklärte unverblümt: „(Die Technologie des Heiß-Trocken-Gesteinsabbaus) hat in 50 Jahren keine besonders offensichtlichen Fortschritte gemacht.“ Da China jedoch spät begann, ist seine technologische Akkumulation vergleichsweise schwächer.

Es besteht jedoch kein Zweifel daran, dass heißes, trockenes Gestein eine Energiequelle der Zukunft mit großem Potenzial ist. Es verfügt über riesige Reserven und ist grün und schadstofffrei. Sobald in der Bergbautechnologie ein großer Durchbruch gelingt, wird dies der menschlichen Gesellschaft große Vorteile bringen.

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Informationen zum Autor:

Name des Autors

Xiao Yidong

Einheit

Institut für Geologie und Geophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften