[Kreatives Kultivierungsprogramm] Nutzung geothermischer Energie: Ist es zuverlässig, tief in die Erde zu graben, um Wärmeenergie zu gewinnen?

Autor: Niu Mingmin

Rezensiert von: Zhang Yuxiu, Professor Wang Lu von der China University of Geosciences (Wuhan)

Angesichts der häufigen Naturkatastrophen und extremen Wetterbedingungen auf der ganzen Welt ist es zwingend erforderlich, die ökologische Umwelt zu schützen und Maßnahmen zur Emissionsreduzierung umzusetzen. Im aktuellen neuen Energiebereich, der eine duale Kohlenstoff- und grüne Entwicklung praktiziert, sind viele herausragende Akteure hervorgetreten, wie beispielsweise Windenergie, Wasserkraft, Geothermie, Solarenergie, Kernenergie usw. Unter ihnen wird die Geothermie aufgrund ihrer herausragenden Vorteile wie große Reserven, weite Verbreitung, hohe Effizienz, Stabilität, Sicherheit und hohe Qualität mit großer Spannung erwartet. Ein 10.000 Meter tiefes Loch zu graben, um der Erde Wärmeenergie zu entziehen, klingt nach einer machbaren Lösung, doch die Tiefen der Erde, in die der Mensch derzeit blicken kann, sind äußerst begrenzt. Wird es also neue Technologien geben, die es der Erde ermöglichen, „Strom für die Liebe zu erzeugen“?

"Begeisterte" Erde

Wir sagen immer, der Weltraum sei so groß wie Rauch, aber tatsächlich gibt es auch im Inneren der Erde viele verschiedene Welten. Wenn wir das Land unter unseren Füßen endlos erkunden, durch die lockere Erdschicht, die harte Kruste und den heißen Erdmantel, werden wir feststellen, dass sich tief im Inneren unserer blauen Erde tatsächlich ein Ozean aus Lava befindet.

Die bei der Entstehung der Erde angesammelte Gravitationskollapsenergie verbindet sich mit der Zerfallsenergie radioaktiver Substanzen und erzeugt Hitze, die sich im Erdkern ansammelt, wobei die Temperatur etwa 5.200 °C erreicht. Es ist eine wahrhaft „heiße“ Erde. Diese Wärme ist die treibende Kraft hinter der Entstehung und Entwicklung unseres Planeten.

Ein Teil der Wärme aus dem Erdinneren gelangt an die Oberfläche und wird freigesetzt. Die uns bekannten heißen Quellen, Vulkane, Erdbeben usw. sind allesamt Möglichkeiten zur Freisetzung geothermischer Energie, während tief unter der Erde noch mehr Wärme eingeschlossen ist. Schätzungen zufolge beträgt die gesamte innere Wärme der Erde das 170-Millionen-fache der weltweiten Kohlereserven. Dies entspricht 500 Billionen Tonnen Standardkohle und könnte den Energiebedarf der Menschheit für Hunderttausende von Jahren decken.

Geothermie hat gegenüber anderen Energiequellen unvergleichliche Vorteile. Die herkömmliche thermische Stromerzeugung erfordert einen kontinuierlichen Brennstoffverbrauch und belastet die Umwelt. Windkraft, Wasserkraft und Solarenergie schwanken zu stark und können nicht stabil abgegeben werden. Bis zur ultimativen Energiequelle, der kontrollierten Kernfusion, ist es noch ein weiter Weg. In diesem Zusammenhang ist die Geothermie, die „in greifbarer Nähe“ zu sein scheint, zu einem „Starter“ für Dual Carbon geworden. Durch das Graben eines ausreichend tiefen Brunnens können wir eine stetige Versorgung mit Erdwärmeenergie erreichen, die stabil, umweltfreundlich und emissionsfrei ist.

Die Vorteile liegen auf der Hand, doch tatsächlich trägt die geothermische Stromerzeugung derzeit weniger als 1 % zur weltweiten Stromversorgung bei. Warum ist das so? Denn verglichen mit der menschlichen Technologie zum „Aufstieg in den Himmel“ ist unsere Technologie zum „Aufstieg in die Erde“ offensichtlich viel schwerfälliger.

Das Projekt „Durch die Erde graben“

Wenn Sie den Mittelpunkt der Erde unendlich weit erreichen möchten, ist die derzeitige Methode noch immer einfach und grob: Sie besteht darin, ein Loch zu graben. Die verwendeten Theorien und Methoden sind nicht schwierig; Die wichtigsten Dinge sind Kosten und Effizienz.

Das tiefste Loch, das der Mensch bisher gegraben hat, ist das „Erdteleskop“-Projekt der Sowjetunion im letzten Jahrhundert.

Offizielle Stellen gaben bekannt, dass im Rahmen dieser wissenschaftlichen Forschung 15.000 Meter tief in den Boden gebohrt werden soll, um den Menschen zu ermöglichen, mehr über die innere Struktur der Erde zu erfahren. Dieser Plan hat natürlich die Aufmerksamkeit aller Gesellschaftsschichten auf sich gezogen. Doch leider wurde dieses 24 Jahre dauernde Projekt schließlich in einer Tiefe von 12.262 Metern gestoppt. Es war so nah am Ziel, wurde aber abgebrochen, was damals viele Spekulationen auslöste. Aber eigentlich gibt es dafür keinen mysteriösen Grund, es liegt einfach daran, dass es zu teuer ist.

Die herkömmliche Grabtechnologie weist offensichtliche Mängel auf: hohe Kosten und geringe Grabtiefe. Da der Bohrer selbst sehr teuer ist und häufig ausgetauscht werden muss, kostet das Graben eines Lochs mit einem Durchmesser von 20 cm und einer Tiefe von 10 km etwa 30 Millionen Dollar. Darüber hinaus wird die Umgebung umso rauer, je tiefer das Loch gegraben wird. In 10.000 Metern Tiefe erreichen die Temperaturen 300 Grad Celsius. Sowohl die Temperatur als auch die Härte der Gesteinsformation können herkömmlichen Bohrern nicht standhalten.

Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen stellte die Sowjetunion die Exploration schließlich ein und die wissenschaftliche Entwicklung der Tiefengeothermie kam fast zum Erliegen.

Derzeit konzentriert sich die Nutzung geothermischer Energie nur auf die Risse einiger Erdkrustenplatten oder auf die mittleren und flachen geothermischen Gebiete, und die Nutzungsrate dieses Teils ist im Vergleich zur gesamten geothermischen Energie sehr begrenzt. Der Großteil der hochwertigen Erdwärmeenergie mit einer Temperatur von rund 500 Grad Celsius liegt etwa 10 Kilometer unter der Erde und ist für uns noch immer „unerreichbar“.

Wellenbohrtechnologie: Eine neue Ära für den Geothermiebergbau?

Im April dieses Jahres gab das amerikanische Technologieunternehmen Quaise Energy bekannt, dass es eine „Wellenbohrtechnologie“ entwickle, mit der 20 Kilometer tief in den Boden gebohrt und unbegrenzt geothermische Energie freigesetzt werden könne.

Die Technologie geht auf eine Hypothese zurück, die der amerikanische Wissenschaftler Voskov im Rahmen seiner Forschungen zur Kernfusion aufgestellt hatte: Wenn man hochintensive elektromagnetische Wellen auf Steine ​​richtet und diese so lange erhitzt, bis sie verdampfen, ist es dann möglich, Löcher in die Erde zu bohren? In den folgenden Jahrzehnten widmete sich Voskov weiterhin dieser Forschung und gründete Quaise, das über 70 Millionen Dollar an Investitionen erhielt.

Das Prinzip der Wellenbohrtechnologie ist nicht kompliziert. Dabei wird ein Hochleistungs-Millimeterwellensender verwendet, der einen starken Strahl elektromagnetischer Energie aussendet, um das Gestein vor dem Bohrmeißel zu schmelzen und zu verdampfen. Die Vorteile dieser Grabtechnologie liegen auf der Hand. Da die ausgesendeten Lichtwellen das Gestein schmelzen, kommt der Bohrer selbst nicht mit dem Gestein in Berührung. Dies hat zwei Vorteile. Erstens verschleißt der Bohrer weniger und es besteht keine Notwendigkeit, teure Bohrer häufig auszutauschen. Die Kosten entstehen hauptsächlich durch den Stromverbrauch, der fast 1/60 der Kosten herkömmlicher Grabmethoden beträgt. Zweitens wird dadurch die Wärmeableitung der Aushubgeräte verbessert, sodass der Bohrer tiefer vordringen und geothermische Energie von besserer Qualität und höherer Temperatur gewinnen kann.

Die Wellenbohrtechnologie scheint das Problem der Tiefengeothermie perfekt gelöst zu haben. Quaise gibt in seinem aktuellen Plan an, dass es im Jahr 2024 in die Anwendung der Millimeterwellentechnologie investieren und diese mit mechanischen Bohrmeißeln für Bohrexperimente kombinieren wird. Im Jahr 2026 soll offiziell mit der Bohrung begonnen werden, um Wärmeenergie zu gewinnen und in Strom umzuwandeln. Diese Nachricht begeistert zweifellos alle. Schließlich bleibt uns nicht mehr viel Zeit, um den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren und die globale Erwärmung unter Kontrolle zu bringen.

Wenn diese Technologie die Erwartungen erfüllt, wird sie eine neue Ära der Tiefengeothermie einläuten. Vielleicht kann die Menschheit sich den schönen Wunsch nach unbegrenzter Energie tatsächlich erfüllen, bevor es in der Technologie der kontrollierten Kernfusion zum Durchbruch kommt. Warten wir es ab!

Quellen:

Huttrer G W. 2020. Geothermische Stromerzeugung in der Welt 2015-2020, Aktualisierungsbericht[C]//Proceedings World Geothermal Congress 2020. Reykjavik: WGC.

Zheng Ke, Pan Xiaoping, Ma Fengjing et al. Geothermie-Nutzungstechnologie[M]. Peking: China Electric Power Press, 2018.

[3] Popular Science Schwarzes Loch: Bohrt sich 20 Kilometer tief in die Erdkruste! Unbegrenzte Energie freisetzen: Über welche Technologie verfügt der Wellenbohrer des amerikanischen Unternehmens? [N/OL]. [2022-06-08]. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1735063446249977548&wfr=spider&for=pc

Dieser Artikel wurde vom Science Popularization China-Creation Cultivation Program erstellt. Bei Nachdruck bitte die Quelle angeben

Gutachter: Professor Wang Lu von der China University of Geosciences (Wuhan)