Energie aus der Tiefe – das Next Big Thing
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Mai 2022

Energie aus der Tiefe – das Next Big Thing

Mit dem Paradigmenwechsel der Energiegewinnung wandert der Blick von der Tiefe in die Höhe – statt Ölfelder und Kohlegruben rücken jetzt weltweit Windräder und Solaranlagen in den Mittelpunkt. Doch für die US-Firma Quaise kommt ein Abschied von der Tiefe nicht infrage: Sie will der Geothermie gänzlich neue Dimensionen erschließen.

Wir alle haben es in der Schule gelernt: Der flüssige Erdkern hat eine Temperatur von etwa 5000 Grad – logisch, dass es immer heißer wird, je tiefer man bohrt. Doch die Nutzung dieser Tiefenwärme, die weltweit vorrangig in vulkanischen Regionen betrieben wird, steckt in vielen Ländern noch immer in den Kinderschuhen. Im Neue-Energien-Vorreiterland Deutschland gibt es beispielsweise ganze drei Kraftwerke im Oberrheingraben. Sie setzen 97 Grad heißes Wasser aus 2.500 bis 3.500 Meter Tiefe zur Erzeugung von Wärme und Strom ein.

Versuche zur Erschließung tieferer und damit heißerer wasserführender Schichten blieben im wahrsten Wortsinn stecken: Deutschlands ambitionierteste Tiefenbohrung bei Windischeschenbach musste 1995 nach zwölf Jahren bei 9.101 Meter gestoppt werden. Denn unter dem hohen Umgebungsdruck der Tiefe und dort herrschenden Temperaturen von 260 Grad wird das Gestein beim Bohren zu zähem Pudding und bildet immer größeren Widerstand. Auch ein Projekt auf der russischen Kola-Halbinsel wurde nach knapp 20-jähriger Arbeit bei 12.289 Meter beendet. Geblieben ist ein rostiger verschraubter Deckel auf dem weltweit bislang tiefsten Loch.

Geothermie völlig neu gedacht

Dabei würde es sich lohnen, die unermessliche Hitze des Erdinneren zu nutzen: Bereits 0,1 Prozent der vermuteten geothermalen Energie könnten den weltweiten Energiebedarf für 20 Millionen Jahre decken, das haben Berechnungen am Massachussetts Institute of Technology (MIT) ergeben.

Und deswegen kündigt sich nun „the next big thing“ in Sachen grüner Energie an. Quaise betritt die Bühne: Die Köpfe hinter dem Spin-off des MIT, allesamt Experten in Sachen Plasmaforschung und Fusionsenergie, wollen zumindest einen winzigen Teil dieses Erdwärmepotenzials nutzbar machen. Dafür haben sie das Thema Geothermie und seine Anwendung völlig neu gedacht. Ihr Plan: in 20 Kilometer Tiefe aufgrund des extremen Drucks in einem superkritischen Zustand befindliches, 500 Grad heißes Wasser zu erschließen und nach oben zu bringen.

  • 50 Prozent
    des gesamten Energieverbrauchs fließen laut einer Analyse der Internationalen Energie-Agentur (IEA) in Wärmequellen für Häuser, Industrie und andere Anwendungen. Derzeit kommen erst rund 10 Prozent der Energie für Wärme aus erneuerbaren Quellen – ein Anteil, der sich bis 2030 verdoppeln wird, prognostiziert die IEA. Vielen Wissenschaftlern geht das zu langsam. Sie fordern, dass bereits ab 2024 keine fossilen Heizungen mehr verbaut werden dürfen, wenn man die Klimaziele 2045 erreichen will. Ein wichtiger Schlüssel, die Ziele zu erreichen, ist die Geothermie.
  • 25 Prozent
    seines Gesamtwärmebedarfs (umgerechnet 300 TWh) könnte das Industrieland Deutschland mit heutigen oder absehbar verfügbaren hydrothermalen Technologien zur tiefengeothermischen Direktnutzung allein oder in Kombination mit Großwärmepumpen decken. Geschätztes Investitionsvolumen: 140 bis 175 Milliarden Euro. Zusätzliche Wärmepotenziale bieten heiße Gesteinsschichten (petrothermale Geothermie), saisonale Untergrundwärmespeicher sowie die Oberflächengeothermie zur Gebäudebeheizung und -kühlung im Bauwesen und in der Wohnungswirtschaft.
    Quelle: Roadmap Tiefe Geothermie für Deutschland
  • Unerwarteter Schatz
    Im Rheintal weiß man es schon kann lange: Das dort für die drei Geothermie-Anlagen Landau, Insheim und Bruchsal geförderte Tiefenwasser enthält Lithium. Herausgefiltert und verdichtet, lässt sich das Metall beim Bau von Antriebsbatterien im Rahmen der Elektromobilität einsetzen. Das Lithium aus den drei Standorten könnte möglicherweise acht Prozent des europäischen Bedarfs decken. Und das ohne zusätzliche Umweltbelastung, wie sie beim Lithium-Abbau in Bolivien oder Chile stattfindet.
    Quelle: Deutschlandfunk

Um an diese gigantische Energiequelle heranzukommen, denkt der US-Spezialist Quaise in neuen Bahnen. Das Unternehmen greift auf die bekannte Technologie extrem leistungsstarker Mikrowellen-Oszillatoren zurück. Diese sogenannten Gyrotrons können mittels elektromagnetischer Wellen im Millimeterbereich und Frequenzen bis 300 Gigahertz Temperaturen bis 150 Millionen Grad erzeugen kann – genug, um auch härtestes Gestein zu pulverisieren. Mittels Argon-Gas werden die Partikel dann nach oben geblasen, das Gestein rings um das „Bohrloch“ verschmilzt bei den extremen Temperaturen und dichtet den Schacht automatisch ab.

Und da für diese Technik nach einer kurzen konventionellen Bohrung im Prinzip nur eine Röhre in den Boden geschoben werden muss, entfällt das extrem zeitaufwendige Hantieren mit dem Bohrgestänge. Haben die Russen damals 20 Jahre gebraucht, um auf zwölf Kilometer vorzudringen, will Quaise das mit einem Gyrotron von einem Megawatt Leistung bei einem Vortrieb von 70 Meter pro Stunde in gut 100 Tagen schaffen. Und sich dann weiter vorarbeiten. Beim Bau der deutschen Geothermiekraftwerke wurde da mit Bohrtiefen bis maximal 3.500 Meter vergleichsweise nur an der Oberfläche gekratzt.

Quaise Energy, ein Start-up des MIT mit Sitz in Boston und Houston, sicherte sich kürzlich 40 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln, um das erste Bohrgerät vom Reißbrett zu bringen.

Gelingt das Erschließen des extrem heißen Tiefenwassers, beginnt der Anwendungsbereich – in Form eines verblüffenden Re-Powerings. Quaises Konzept bringt einen umfassenden Vorteil mit sich, eine Revolution der grünen Stromerzeugung. Für die Nutzung des superheißen Tiefenwassers müssen nämlich keine neuen Kraftwerke gebaut werden – die Idee besteht darin, vorhandene Anlagen umzurüsten und deren Technik zur Stromerzeugung weiter zu benutzen.

Denn ob fossil, nuklear oder solar: Kraftwerke sind nichts anderes als Heißwasserbereiter; sie erzeugen Hitze, bringen damit Wasser zum Verdampfen und treiben damit stromerzeugende Turbinen an. Der Plan von Quaise ist – einmal abgesehen von den noch in der Praxis zu meisternden technischen Herausforderungen – bestechend einfach: Heißes, aus großer Tiefe gefördertes Wasser würde direkt in jedes Kraftwerk eingespeist werden und dort die Turbinen antreiben. Kohle, Gas, Öl oder Uranbrennstäbe wären dadurch überflüssig, die Energie an sich wäre also CO2-neutral. Theoretisch könnte jedes bislang konventionell beheizte Kraftwerk seine eigene Tiefenwasserquelle haben und emissionsfrei Strom oder Wärme erzeugen.

Natürlich ließe sich in vulkanisch aktiven Regionen sehr heißes Wasser schon wesentlich einfacher und bedeutend näher an der Erdoberfläche erschließen, wie es etwa auf Island praktiziert wird. Doch liegen solche quasi natürlichen Heißwasserquellen zumeist viel zu weit von den Verbrauchern entfernt. Ein ultratiefes Loch in den Boden zu treiben, dürfte mit der Technologie von Quaise hingegen überall möglich sein. Man geht von 70 Prozent der Erdoberfläche aus.

Energie aus der Tiefe – das Next Big Thing
Das Tiefbohrgerät Innova Rig kann "nur" bis zu 7.000 Meter tief bohren. Es wiegt 410 Tonnen und wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Herrenknecht Vertical und dem Deutschen GeoForschungszentrum Potsdam (GFZ) entwickelt. © Bundesverband Geothermie

Wird das Konzept von Quaise realisiert, brächte das gleich mehrfache Vorteile. Strom würde nicht nur emissionsfrei erzeugt; es könnten auch konventionelle Öl, Gas- oder Kohlekraftwerke weiter betrieben werden, die sonst aus Gründen des Klimaschutzes vorzeitig stillgelegt werden müssten. Und da diese Anlagen bereits in die Stromnetze integriert sind, entfiele auch der Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur, wie sie etwa für den Energieträger Wasserstoff notwendig wird.

Gegenüber Kritikern kann der Einsatz ultraheißen Tiefenwassers noch in einem ganz anderen Aspekt punkten: Anders als bei Solarfarmen oder Windparks ist der Flächenbedarf für die Erschließung minimal. Nichts würde das Landschaftsbild beeinträchtigen, was Genehmigungsverfahren deutlich vereinfachen dürfte. Ein weiterer, ganz entscheidender Vorteil der Geothermie gegenüber Solar- und Windenergie ist die Grundlastfähigkeit – die Wärme der Erde unterliegt keinerlei Schwankungen. Auch das Gefahrenpotenzial bei der Nutzung der Erdwärme ist gering. Kritisch sind wenn überhaupt die Bohrungen an sich, die zu Verwerfungen im Erdreich führen können. „Ist die Bohrung gelungen, ist Geothermie nicht nur aus wirtschaftlicher, sondern auch aus ökologischer Sicht sehr positiv zu bewerten“, bilanziert Autor Lars Jaeger in seinem Buch „Wege aus der Klimakatastrophe“. Quaise schließt sogar diese Gefahrenquelle bei seinen Mikrowellen-Bohrungen aus.

„Ist die Bohrung gelungen, ist Geothermie nicht nur aus wirtschaftlicher, sondern auch aus ökologischer Sicht sehr positiv zu bewerten."

Buchautor Lars Jaeger („Wege aus der Klimakatastrophe“)

Die Weltbank weist in einem umfassenden Bericht auf ein weiteres Problem hin: Einige bereits aktive Geothermal-Kraftwerke weisen eine schlechtere Klimagas-Bilanz auf als Kohlekraftwerke. Denn bohrt man die Erde an, kann dort gebundenes Kohlendioxid und Methan entweichen. Eine weitere Herausforderung die von Quaise und anderen Pionieren in diesem Bereich gemeistert werden muss.

Um den Schritt in die neue Geothermie-Zukunft von der reinen Theorie und Forschung in den harten Praxisalltag vollziehen zu können, hat Quaise Anfang 2022 63 Millionen Dollar an Kapital akquiriert. Auch die US-Energiebehörde ist mit an Bord. Jede Unterstützung ist ebenso willkommen wie nötig, denn Bohrungen mit dem Gyrotron sind „ein technologisch sehr schwieriges Verfahren“ , wie Quaise-Mitgründer Carlos Araque sagt. Zu seiner Überraschung hat er auch in der Öl- und Gasindustrie Unterstützung gefunden. „Diese Unternehmen beginnen zu verstehen, dass sie die Energiewende annehmen müssen“, sagte er der „MIT Technology Review“.

Auch eine gemeinsame Roadmap der deutschen Fraunhofer-Gesellschaften und der Helmholtz-Gemeinschaft empfiehlt bei der Tiefen-Geothermie einen breiten Schulterschuss aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft, ähnlich wie beim Vorantreiben der Wasserstoff-Technologien. Dazu gehört ein Risikoausgleich für Unternehmen und Kommunen, die die Exploration von tiefer Geothermie in Angriff nehmen. Außerdem sind Investitionszuschüsse in Schlüsseltechnologien notwendig, dazu zählen Bohrsysteme und -pumpen, Hochtemperatur-Wärmepumpen und Großwärmespeicher. Um die Erdwärme großflächig nutzen zu können, bedarf es außerdem einer sektorübergreifenden Integration sowie breit ausgelegter Verbundwärmenetze.

Allen Herausforderungen zum Trotz treibt Quaise seine Idee weiter voran: Erste Demonstrationsbohrungen zwischen 100 und 1.000 Meter Tiefe sollen 2024 starten. Vorausgesetzt, diese bringen den erwarteten Erfolg, wird die Umrüstung eines ersten Kraftwerkes auf Tiefenenergie für 2028 anvisiert. Ob dieses dann auch Energie zu marktfähigen Preisen liefern kann, bleibt abzuwarten. Der Weg zur Nutzung der Tiefen-Geothermie ist also noch ebenso lang wie tief.

www.quaise.energy

Kay Dohnke
Autor Kay Dohnke
Kay Dohnke blickt auf eine langjährige Tätigkeit als Redaktionsleiter, Chefredakteur und Buchautor zurück. Heute lebt er als freier Journalist bei Hamburg. In seinen Themen fokussiert er die Transformation von Energie, Mobilität, Rohstoffnutzung und Produktionstechnologien in zukunftsfähige Formen.