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Superheiße Geothermie

Erwärmelagerstätten mit einer Temperatur von mehr als 374 °C werden oft der superheißen Geothermie (super hot geothermal, SHG, super hot rock, SHR) zugeordnet.

  • Nur 1 % des weltweiten Energiepotenzials aus superheißem Gestein könnte 63 Terawatt sauberen, immer verfügbaren Strom erzeugen, achtmal mehr als die Welt benötigt.
  • Nur 1 % des Energiepotenzials aus superheißem Gestein in den USA könnte 4,3 Terawatt sauberen, immer verfügbaren Strom erzeugen - genug um New York City 687-mal mit Strom zu versorgen.
  • Superhot Rock Energy ist eine leistungsstarke Stromversorgung mit geringem Flächenbedarf, die rund um die Uhr und an vielen Stellen auf der Erde verfügbar ist.

Warum 374 °C

Bei 374 °C und Drücken über 22 MPa befindet sich Wasser im überkritischen Zustand. Überkritisches Wasser hat einen viel höheren Wärmegehalt als normales Wasser oder Dampf, wodurch es deutlich mehr Energie pro Masseneinheit erzeugen kann. Die potenzielle Energieabgabe wäre 5-10 mal höher als bei herkömmlichen geothermischen Systemen.

Das Fließverhalten von überkritischem Wasser sind günstiger: Die Eigenschaften von überkritischem Wasser ermöglichen eine effizientere Zirkulation durch Felsspalten. Seine geringere Dichte und sein höherer Auftrieb im Vergleich zu viskosen Kräften erhöhen die Massentransportraten und erleichtern die Bewegung größerer Mengen an Wärmeenergie.

Erkundung superheißer Lagerstätten

Als reichlich vorhandene Quelle sauberer, immer verfügbarer Energie könnte die Energie aus superheißem Gestein viele Vorteile für das weltweite Energiesystem mit sich bringen. Seine weltweite Verfügbarkeit könnte die inländische Stromerzeugung an vielen verschiedenen Orten ermöglichen, die Energiearmut verringern und die wirtschaftliche Entwicklung und Energiesicherheit verbessern. Aufgrund des geringen Flächenbedarfs würden Bedenken hinsichtlich der Standortwahl verringert, und die Verfügbarkeit rund um die Uhr verringert die Notwendigkeit eines übermäßigen Übertragungnetzsausbaus. Die Stromerzeugung ohne giftige Luftschadstoffe würde der Gesundheit der Bevölkerung zugutekommen. Und superheiße Gesteinsenergie könnte Arbeitnehmern im Öl- und Gassektor CO2-freie Beschäftigungsmöglichkeiten bieten. Mit angemessenen Investitionen zur Überwindung technologischer Hürden könnte die Energie aus superheißem Gestein kommerzielle Ausmaße und möglicherweise Marktpreise erreichen - und so den wahren Energiereichtum auf der ganzen Welt erschließen.

Bohren in SHR

Um eine geothermische Bohrung erfolgreich abzuteufen, muss ein SHR-Bohrprogramm drei übergeordnete Herausforderungen bewältigen:

  1. Tiefbohrungen im kristallinen Grundgebirge schaffen,
  2. Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen (HTHP) bewältigen und
  3. Bohrlochstabilität und Verrohrungsintegrität über die gesamte Lebensdauer der geothermischen Anlage (>40 Jahre) aufrechterhalten.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, sind hochspezialisierte Bohr-, Verrohrungs-, Zementierungs- und Ausbaugeräte erforderlich, von denen einige bereits heute existieren und andere weitere Forschung und finanzielle Investitionen erfordern. Die Industrie sowie universitäre und staatliche Forschungslabore bauen auf den jahrzehntelangen Forschungsarbeiten der Öl- und Gasindustrie (O&G) zum Abteufen komplexer Hochtemperatur- und Hochdruckbohrungen auf. Hydraulisches Aufbrechen in einer Tiefe von >5 km ist in der Kohlenwasserstoffindustrie in Sedimentsystemen keine Seltenheit, und es wurden Bohrungen mit einer gemessenen Tiefe von über 15 km erreicht. In der Öl- und Gasförderung können Temperaturen an Bohrlochköpfen von über 350 °C auftreten und es gibt einige Hochtemperatur-Bohrlochausbaugeräte. Obwohl diese Technologien auf SHR übertragbar sind, gibt es mehrere wesentliche Unterschiede zwischen einem ultratiefen SHR-Geothermiebrunnen und einem Kohlenwasserstoffbrunnen:

  • SHR-Bohrungen erreichen Temperaturen von >374˚°C, während Kohlenwasserstoffbohrungen typischerweise zwischen 100 und 220°C liegen,
  • SHR-Bohrungen werden in hartem, abrasivem, undurchlässigem, kristallinem Gestein mit einer Druckfestigkeit von >240 MPa abgeteuft - weitaus mehr als weiches Sedimentgestein von <80 MPa, das normalerweise in Kohlenwasserstoffbohrungen vorkommt,
  • SHR-Bohrungen erfordern größere Produktionsbohrungen, um höhere Durchflussraten zu erreichen,
  • SHR-Frakturierung kann zu erheblichen Verlusten von Bohrflüssigkeit führen und kann Bohrlochversiegelungsmethoden in härterem Gestein und höheren Temperaturen erfordern, als sie bei Kohlenwasserstoffbohrungen auftreten,
  • Bohr- und Bohrlochausbauprogramme für ein SHR-Geothermieprojekt machen typischerweise 40-60 Prozent der gesamten Projektkosten aus, und
  • Im Vergleich zu Kohlenwasserstoffbohrungen werden jährlich nur sehr wenige Geothermiebohrungen gebohrt, was weniger Möglichkeiten für iterative Designverbesserungen ermöglicht, als die Leistungsverbesserungen bei Schieferölbohrungen in den USA.

Diese wesentlichen Unterschiede sowie die Herausforderungen beim Abteufen von Bohrlöchern unter überkritischen Bedingungen führen zu vier primären Technologielücken, die überwunden werden müssen, um SHR technisch und wirtschaftlich rentabel zu machen - die ersten beiden davon betreffen das Bohren und den Ausbau von Bohrlöchern:

  1. Verbesserung der rate of penetration (ROP) beim Bohren in kristallines Grundgestein.
  2. Entwicklung elektronischer Bohrlochwerkzeuge und Temperaturmanagementgeräte für ultrahohe Temperaturen.
  3. Minderung des Zirkulationsverlusts (dies kann bei SHR weniger problematisch sein als bei hydrothermalen geothermischen Umgebungen, da die Standorte so ausgewählt werden können, dass das Risiko des Auftreffens auf Störungszonen minimiert wird).
  4. Erstellung von Verrohrungen und Zementierungen, die dem potenziell korrosiven heißen Wasser und dem hohen Druck von SHR-Bohrlöchern standhalten, mit größeren Produktionslochgrößen, um hohe Durchflussraten in Hochtemperaturbereichen zu ermöglichen.

Bis heute können die Bohrprogramme für Geothermieprojekte der nächsten Generation 40–70 Prozent der gesamten Investitionskosten eines Projekts ausmachen. Diese Kosten können erheblich steigen, wenn tiefere, heißere und druckreichere Bereiche aufgeschlossen werden sollen. Während erwartet wird, dass die ersten Demonstrationsstandorte hohe Vorlaufkosten verursachen werden, die erforderlich sind, um das SHR-Risiko durch Experimente zu verringern, können derstige Anlagen später dennoch aufgrund der hohen Energie pro Bohrloch, die durch superheißen Dampf und überkritische Flüssigkeiten an die Oberfläche geliefert wird, einen kostenmäßig wettbewerbsfähigen LCOE erreichen und so diese enorme Energiereserve für eine nachhaltige Stromerzeugung freisetzen.

Weblinks

https://www.catf.us/superhot-rock/heat-mapping/

Literatur

Pearce, R. and T. Pink. 2024, Drilling for superhot geothermal energy: A technology gap analysis. Version 1.0. Clean Air Task Force and Cascade Institute. https://cascadeinstitute.org/technical-paper/drillingreport/.

Clean Air Task Force, Bridging the Gaps: A survey of methods, challenges, and pathways forward for superhot rock drilling, which can be accessed at: https://www.catf.us/superhot-rock/bridging-gaps/

Weitere Literatur siehe:

zuletzt bearbeitet Oktober 2024, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de