Sind Vulkane die Energiequelle der Zukunft?

Die Reykjanes-Halbinsel, ein Finger aus schwarzem Fels, der an der Südwestküste Islands über den Mittelatlantischen Rücken hinausragt, hat ihre einzigartige vulkanische Geologie schon lange als wirtschaftliche Chance genutzt. Seine spektakulär geschnitzten Gebäude und riesigen Lavafelder ziehen Naturforscher aus der ganzen Welt an, während geothermische Becken, die durch Dampf- und Magmaablagerungen tief unter der Erde erhitzt werden, den Anker für eine florierende Resortwirtschaft bilden.

Die Region wird sogar von dieser Geologie angetrieben; Die 12 Geothermiebrunnen, die 600 Grad heißen Dampf in die beiden Turbinen des Kraftwerks Reykjanes speisen, liefern insgesamt 100 Megawatt Strom für die Umgebung, genug, um viele Zehntausende Haushalte mit Strom zu versorgen.

Konventionelle Geothermiekraftwerke wie das in Reykjanes ermöglichen die Art von Energiewirtschaft, die Island zu einem Vorbild für die Welt gemacht hat; Das Land erzeugt praktisch seinen gesamten Strom aus erneuerbaren Ressourcen – ein Viertel davon allein aus Geothermie – und macht Island damit zum Aushängeschild für die Nutzung geothermischer Energie in einer Welt, die von Kohlenwasserstoffwirtschaften dominiert wird.

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Aber konventionelle Geothermie – basierend auf einer Technologie, die es seit den 1970er Jahren gibt – kann eine Energiewirtschaft nur bis zu einem gewissen Grad voranbringen. Wenn es nach einem Konsortium aus Forschern und Energieunternehmen geht, könnte Reykjanes – wo vier Vulkane beheimatet sind – bald der Ausgangspunkt für eine Geothermie-Revolution sein, die die Art und Weise, wie Länder und Volkswirtschaften auf der ganzen Welt ihre geothermischen Ressourcen betrachten und nutzen, verändern könnte.

Wenn alles nach Plan läuft, wird dieses Jahr das Island Deep Drilling Project (IDDP) stattfinden – eine Zusammenarbeit zwischen der Nationalen Energiebehörde Islands, einem globalen Team akademischer Wissenschaftler; und die Energieunternehmen HS Energy, National Power Company und Reykjavik Energy (Alcoa und Statoil haben ebenfalls teilgenommen) – werden mit der Bohrung einer geothermischen Quelle tief in das riesige Vulkanfeld der Region beginnen, in der Hoffnung, Energie aus überhitztem Dampf und vielleicht sogar dem geschmolzenen Gestein freizusetzen selbst, mehrere tausend Fuß unter der Oberfläche lauernd.

Anstatt nach dem typischen Heißwasser und Dampf zu suchen, der die herkömmlichen Geothermiegeneratoren der Halbinsel antreibt, werden die Ingenieure dieses neuen Bohrlochs (IDDP-2) in einer Tiefe von 4 bis 5 Kilometern (13.000 Fuß bis 16.000 Fuß) bohren Versuchen Sie, sogenannte „überkritische“ Wasservorkommen direkt anzuzapfen – Flüssigkeiten, die so starker Hitze und Druck ausgesetzt sind, dass sie in einem Zustand vorliegen, der weder flüssig noch gasförmig ist. (Zum Vergleich: Reines Wasser wird bei etwa 700 Grad Fahrenheit „überkritisch“, wenn es unter einem Druck von 221 Bar oder dem 221-fachen des atmosphärischen Luftdrucks auf Meereshöhe steht.)

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Das bedeutet, in die Nähe der Magmavorkommen zu bohren, die für Hitze und Druck sorgen, und herauszufinden, was mit den überhitzten Materialien geschehen soll, die die Ingenieure dort finden. Wenn die Forscher am IDDP-2 die notwendigen Techniken beherrschen, um überkritische Flüssigkeiten – oder sogar superheißes Magma selbst – in nutzbare geothermische Energiesysteme umzuwandeln, könnten sie die Leistung einer durchschnittlichen geothermischen Anlage um das Zehnfache steigern und die Wirtschaftlichkeit der Branche auf den Kopf stellen.

Zuerst müssen sie mit dem Feuer spielen.

Vor fünf Jahren versuchten IDDP-Ingenieure dies zum ersten Mal in der Hoffnung, eine exportfähige Energietechnologie zu entwickeln, um die schwächelnde Wirtschaft Islands anzukurbeln. Ein Unfall löste eine Entdeckung aus, die sie seitdem verfolgen. Während sie bei IDDP-1 tief im Inneren eines Vulkans namens Krafla im Nordosten Islands bohrten, erreichten sie eine Tiefe von etwa 2 km (6.500 Fuß), bevor sie unerwartet auf Magma trafen, das von unten in die obere Erdkruste eindrang, bei sengenden Temperaturen von über 1.600 Fahrenheit. Der überhitzte Dampf stellte einen Weltrekord auf. Die IDDP war direkt in die Eingeweide eines Vulkans vorgedrungen.

„Wir haben herausgefunden, dass wir den heißesten Bohrlochkopf der Welt entwickelt haben“, sagte Dr. Wilfred Elders, emeritierter Professor für Geologie an der University of California, Riverside und Co-Chefwissenschaftler des IDDP. Landsvirkjun, Islands staatlicher Energieversorger und Eigentümer des Brunnens, hatte keine Ahnung, was er mit überhitztem Magma anfangen sollte, das bei Temperaturen über 1.600 Grad Fahrenheit aus dem Brunnenrohr aufsprudelte. „Zu diesem Zeitpunkt hätten wir den Brunnen aufgeben können“, sagte Elders. „Wir wussten, dass wir diese sehr energiereiche Wärmequelle hatten, aber wir wussten nicht, wie wir mit den Temperaturen und Drücken umgehen sollten.“

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Stattdessen trieb Landsvirkjun den Bau des Bohrlochs voran, indem er ein spezielles Stahlgehäuse in das Bohrloch einführte und am Boden, der dem Magma am nächsten lag, einen perforierten Abschnitt freiließ. Im Bohrloch konnte sich langsam Wärme aufbauen, und schließlich strömte für die nächsten zwei Jahre überhitzter Dampf durch das Bohrloch. In dieser Zeit lieferte es mehr als die Hälfte der 60-Megawatt-Leistung des Krafla-Kraftwerks. Erst als ein Ventil versagte, war Landsvirkjun schließlich gezwungen, den Brunnen durch Einpumpen von kaltem Wasser abzudichten.

Aber das IDDP ist noch lange nicht damit fertig, den Versprechen nachzujagen, die sogenannte Hochenthalpie-Geothermiesysteme bieten. Sollte es der geplanten IDDP-2-Bohrung in Reykjanes gelingen, auf überkritische Flüssigkeit zu treffen, hoffen die IDDP-Forscher, an diesem Standort einen nachhaltigen geothermischen Bohrlochkopf zu entwickeln, der ihnen einen Teststand für die Entwicklung zusätzlicher Materialien und Technologien für ertragreiche Geothermiesysteme bieten würde, die dies könnten überall auf der Welt eingesetzt werden, wo junge vulkanische Geothermiesysteme vorkommen.

Es stellt sich heraus, dass es eine ganze Reihe von Orten gibt, die Zugang zu ungenutzten geothermischen Ressourcen haben, und viele von ihnen sind schnell dabei, diese Ressourcen online zu erschließen. „Weltweit boomt die Geothermie“, sagte Benjamin Matek, Analyst und Forschungsprojektmanager bei der Geothermal Energy Association, einem in den USA ansässigen Handelsverband der Branche. „Wenn Sie sich Indonesien, die Philippinen und Kenia ansehen, bauen sie wahrscheinlich alle zwei Monate ein Kraftwerk.“

Länder in der Nähe von Vulkangebieten erschließen mit enormer Geschwindigkeit neue geothermische Ressourcen. Nach Angaben der Geothermal Energy Association wächst der Markt für Geothermie weltweit jedes Jahr um 4 bis 5 Prozent. In 76 Ländern sind rund 700 Geothermieprojekte im Gange, und es gibt keine Anzeichen für eine Verlangsamung.

Geothermie ist jedoch nicht immer wirtschaftlich. Oft durch staatliche Subventionen unterstützt, können die hohen Vorlaufkosten für Bohrungen und die Ausbeutung geothermischer Ressourcen dazu führen, dass sie nicht mit der Öl- oder Gasexploration konkurrenzfähig sind. Das Erkundungsbohrloch bei IDDP-1 beispielsweise kostete mindestens 22 Millionen US-Dollar. Die GEA stellt fest, dass die Kosten je nach Umfang eines Projekts variieren, die durchschnittlichen Kosten eines 20-Megawatt-Kraftwerks jedoch 30 Millionen US-Dollar betragen.

Es gibt auch andere Risiken – reale und wahrgenommene. Im Jahr 2006 wurde angenommen, dass ein Geothermieprojekt in der Nähe von Basel in der Schweiz ein Erdbeben der Stärke 3,4 ausgelöst hatte, als die Bohrungen eine Verwerfungslinie durchschnitten. Die Idee, in Magmakammern zu bohren, hat zu Befürchtungen geführt, dass dies einen Vulkanausbruch auslösen könnte (obwohl Geologen eher anderer Meinung sind). Doch der Reiz billiger, erneuerbarer Energie überwiegt derzeit bei den meisten Bedenken.

Die USA sind der weltweit größte Produzent geothermischer Energie, hauptsächlich in Staaten wie Nevada, Kalifornien, Utah und Oregon. Aber Amerikas 3,6 Megawatt installierte Geothermie sind nur ein Tropfen in der größeren Energieklasse und machen weniger als die Hälfte von einem Prozent des gesamten Energieverbrauchs des Landes aus. Das Gleiche gilt für viele andere Länder rund um den Globus; Obwohl geothermische Ressourcen vorhanden sind, haben eine Kombination aus hohen Vorlaufkosten für die Entwicklung, kostengünstigem Zugang zu fossilen Brennstoffen wie Erdgas und der relativ geringen Energieausbeute installierter geothermischer Ressourcen die Entwicklung behindert.

Hier könnte die Bohrung IDDP-2 den größten Unterschied machen. Forscher wie die Ältesten des IDDP glauben, dass die Nutzung überkritischer Flüssigkeiten – oder sogar der geschmolzenen heißen Energie des Magmas selbst – die Menge an Energie, die Länder aus der Erde ziehen können, drastisch verändern und die Produktion bei gleichzeitiger Nutzung von Geothermie um eine Größenordnung steigern könnte wirtschaftlich weitaus attraktiver, nicht nur als Stromquelle, sondern auch als Handelsgut.

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„Ich glaube, wenn diese Bohrprojekte erfolgreich sind, kann sich das Energiebild in Island sehr dramatisch verändern“, sagte Elders. „Und es könnte große Auswirkungen auf die Stromversorgung in Nordeuropa haben.“ Island verfügt bereits über die gesamte saubere Energie, die es benötigt, erklärte Elders. Aber die Ingenieure von Landsvirkjun beschäftigen sich seit langem mit der Idee, ein Untersee-Übertragungskabel von Island nach Schottland oder sogar nach Skandinavien zu verlegen, um Energie von Islands Geothermiefeldern in die Netze in Europa zu transportieren und Island so zu einem Geothermie-Exporteur zu machen.

Obwohl Island und das IDDP im Bereich „Hochenthalpie-Geothermieforschung“ vor dem Rest der Welt liegen, ist der Zugang zu geothermischen Ressourcen nicht einzigartig. Ostafrika bietet zahlreiche geothermische Möglichkeiten. In Europa verfügt Italien über ein enormes geothermisches Potenzial. Die Anrainerstaaten des Pazifiks – von Neuseeland bis Indonesien und von den Philippinen bis Japan – verfügen alle über reichliche geothermische Ressourcen in der Nähe der Oberfläche.

In den USA ist bekannt, dass geologisch aktive Standorte im gesamten pazifischen Nordwesten und Westen der USA – Orte wie das Salton Sea in der Nähe von Los Angeles und San Diego oder das Geysers Field in Nordkalifornien – innerhalb weniger Minuten Wärmeressourcen von über 660 Grad Fahrenheit enthalten Tausend Meter der Oberfläche. Geothermische Generatoren, die überkritische Flüssigkeiten – oder sogar Magma selbst – verarbeiten können, könnten weit mehr Strom pro Bohrloch liefern, was es für Energieversorger und Regierungen weitaus attraktiver macht. Die Technologie – und der Geschäftsszenario – sind nicht mehr so ​​weit entfernt.

Aber warum hier aufhören? Im Oktober hielt Elders einen Vortrag vor der Geological Society of America über die gewaltige geothermische Energiegrenze direkt vor den Küsten des US-Bundesstaates Washington und British Columbia, wo sich direkt vor der Küste ein ausgedehnter tektonischer Rücken befindet. „Die Hitzemenge auf dem Juan-de-Fuca-Rücken in einer Tiefe von 1.000 bis 2.000 m unter dem Meeresboden ist enorm“, sagte er. „Wenn nur 1 oder 2 Prozent in Strom umgewandelt werden könnten, wäre das riesig.“ Die gesamten potenziellen Gigawatt, die durch den Bergrücken fließen, könnten die gesamten USA um ein Vielfaches mit Strom versorgen, sagte er.

Auch wenn es verlockend sei, darüber nachzudenken, bestehe die Idee, vor der Küste nach geothermischen Ressourcen zu bohren, nur auf dem Papier, sagte Elders. Es ist eine Idee, etwas, worüber man nachdenken und vielleicht in Zukunft studieren sollte, wenn Technologie und Wirtschaft es zulassen. Aber die Idee überkritischer Bohrungen an Land ist derzeit sehr real. Die IDDP hat bereits kurzzeitig eines in Krafla gebaut. Und am IDDP-2 werden die Forscher hoffentlich der Markteinführung hochertragreicher überkritischer Geothermietechnologien der nächsten Generation einen großen Schritt näher kommen.

Das neue Bohrloch könnte irgendwann zusammenbrechen, wie es bei IDDP-1 der Fall war. Es könnte gleich zu Beginn einen kritischen Fehler erleiden. Es könnte sein, dass überhaupt keine überkritische Flüssigkeit gefunden wird. Aber Elders ist zuversichtlich, dass das IDDP irgendwann in absehbarer Zukunft herausfinden wird, wie es diese Hochtemperaturenergie nutzen und in nutzbaren Strom umwandeln kann.

„Innerhalb des nächsten Jahrzehnts werden wir mehrere überkritische Bohrlöcher an Land haben, und ich denke, das würde die Aufmerksamkeit der Industrie auf die Entwicklung weiterer Bohrlöcher an Land lenken und sie dann vielleicht ins Meer verlagern, wo der größte Teil des Wärmeflusses stattfindet.“ entlang dieser mittelozeanischen Rücken“, sagte Elders. Es sind riesige geothermische Ressourcen vorhanden, und wenn erst einmal die Geschäftsszenarios vorliegen, ist nicht abzusehen, in welche Richtung sich die Industrie mit der überkritischen Geothermietechnologie entwickeln wird. Aber Elders ist zuversichtlich, wo es anfangen wird. „Der Proof of Concept wird in Island kommen.“