Strom aus heißen Tiefengesteinen

News: Strom aus heißen Tiefengesteinen

Je tiefer man bohrt, umso heißer wird es in der Erdkruste, in geothermisch 'normalen' Regionen wie bei uns in Deutschland ca. 30 Grad Celsius pro Kilometer. In vielen Ländern wird diese heutzutage banale Erkenntnis genutzt, um mit der Energie aus der Tiefe Strom zu erzeugen oder Wärmeversorgungen aller Art zu betreiben. Was den Strom angeht, war man bislang auf Dampf- oder Heißwasserlagerstätten mit Temperaturen oberhalb 170 Grad Celsius angewiesen. Diese finden sich vor allem in tektonisch bewegten, vulkanisch aktiven Zonen unseres Planeten. In vielen Regionen und darunter auch in Mitteleuropa fehlen sie darum. Aber auch dort, wo es keine Dampf- oder Heißwasserlagerstätten gibt, erreicht man letztendlich mit zunehmender Tiefe überall in der Erdkruste ein Temperaturniveau, das prinzipiell für eine Verstromung geeignet ist. Technologien, dieses Potential zu nutzen, werden derzeit entwickelt.

Entsprechende Forschungsanstrengungen gab und gibt es vor allem in Japan, den USA und in der Europäischen Union. Das grundlegende Verfahrensprinzip klingt einfach: Das in der Tiefe vorhandene heiße aber trockene Gestein ("hot dry rock") wird über Bohrungen erschlossen. Zwischen den Bohrungen wird das Grundgebirge z. B. hydraulisch ("frac") aufgebrochen. So werden Fließwege als eine Art unterirdischer Wärmetauscher erzeugt, in denen von der Oberfläche eingepreßtes Wasser sich erhitzen kann, um, wieder nach oben gefördert, eine Turbine antreibt. Die Zirkulation in HDR-Systemen erfolgt in einem geschlossen Kreislauf. Das eingesetzte Druckniveau verhindert das Sieden der Wärmeträgerflüssigkeit. Dampf entsteht also erst im Sekundärkreislauf. Ein wirtschaftlich zu betreibendes HDR-Kraftwerk muß eine Leistung zwischen 50 und 100 MWth über einen Zeitraum von 20 Jahren garantieren. Dies erfordert eine Wärmeaustauschfläche von 5 bis 10 Quadratkilometern, das bei einem Bohrlochabstand von etwa 500 m mit Fließsraten zwischen 50 und 100 l/s durchströmt werden muß.

Das theoretische Energiepotential ist gewaltig. Nimmt man den Tiefenbereich von 3000 m bis 7000 m könnte unter der Gebietsfläche Deutschlands ein Gesteinsvolumen von ca. 476 000 Kubikkilometern für die Wärmegewinnung erschlossen werden. Etwa die Hälfte dieses Gesteinsvolumes enthält dabei Wärme auf einem Temperaturniveau ab ca. 150 Grad Celsius, das für die Stromerzeugung ausreichend ist. 1996 lag der Energieverbrauch Deutschlands in etwa bei dem Äquivalent von 5000 Millionen Tonnen SKE ("Steinkohleeinheiten") oder 1.47 x1019 Joule. Daraus könnten immerhin 10 x 1022 Joule gewonnen werden, bei gleichbleibendem Energieverbrauch reichte das für 6 800 Jahre Strom für Deutschland. Nicht berücksichtigt dabei wurde, daß aus dem Erdinnern ständig Wärme nachfließt. Das wirtschaftlich erschließbare Potential ist natürlich kleiner, aber zeigt sich, welche enormen Möglichkeiten in einer Technologie stecken, die die "heißen Tiefen" erschließen hilft.

Dem Team des Europäischen Hot-Dry-Rock-Forschungsprojekts in Soultz-sous-Forets im französischen Elsaß nahe der deutschen Grenze, bestehend aus vor allem aus französischen und deutschen sowie britischen, italienischen, schweizer und schwedischen Wissenschaftlern gelangen in den Jahren 1994-1997 entscheidende Fortschritte, mit denen eine grundsätzliche Eignung dieses Verfahrens nachgewiesen werden konnte. Soultz wurde als Standort dieses Vorhabens gewählt, weil es im Zentrum der größten Wärmeanomalie in Mitteleuropa liegt. Das ermöglichte, die Arbeiten in relativ geringer Tiefe von rund 3000 – 4000 Metern durchzuführen. Das Grundgebirge in diesem Teil des Oberrheingrabens ist von einem Netz offener, miteinander verbundener Risse und Spalten durchzogen. Dieses Netzwerk wird durch Einpressen von Wasser künstlich aufgeweitet und mit mehreren Bohrungen durchteuft.

Im Versuchsfeld gibt es derzeit 2 Tiefbohrungen. Über vier weitere "Lauschbohrungen", können die Wasserbewegungen im Untergrund verfolgt werden. Zwischen den beiden Forschungsbohrungen liegt eine Distanz von 450 m. 1993 und 1994 wurden erfolgreiche hydraulische Injektions- und Produktionsversuche durchgeführt. 1994/95 folgten Frac-Arbeiten, mit denen in den beiden Tiefbohrungen zwei ausgedehnte Rißsysteme erzeugt werden konnten. Sie dienen als unteriridischer Wärmetauscher. Die 2-wöchigen Zirkulationstests von 1996 zeigten die grundsätzliche Tauglichkeit des Systems. Bei einer Auslaßtemperatur von 135 Grad Celsius und einer Produktionsrate von 20 l/s wurde eine thermische Leistung von 8 MW erreicht. Weitere Frac-Experimente machten eine Zirkulationsrate von 30 l/s möglich.

Ein weiterer Langzeitzirkulationsversuch im Sommer/Herbst 1997 bewies, daß das HDR System in Soultz problemlos hydraulisch stabil und völlig ohne Flüssigkeitsverluste gefahren werden kann. Insgesamt wurden in 4 Monaten 244 000 Tonnen Thermalwasser produziert und wieder verpreßt. Der Wärmetauscher erwies sich als so groß, daß die Auslauftemperatur auch nach 4 Monaten noch stetig anstieg. Zuletzt wurden 142 Grad Celsius gemessen.

Nach der Auswertung der Testergebnisse läßt sich heute feststellen: Das HDR-System kann nahezu vollautomatisch und umweltfreundlich betrieben werden. Die Wissenschaftler haben schrittweise gelernt, die für das HDR-Verfahren erforderlichen begleitenden Technologien zu beherrschen:

wirtschaftliches Bohren im kristallinen Grundgebirge bei hohen Temperaturen und in großer Tiefe
Schaffung weiträumiger Wärmetauschsysteme in großer Tiefe und bei hohen Temperaturen
den ober- und untertägigen technischen Betrieb von Hot-Dry Rock-Systemen

Der nächste Schritt muß nun ein Demonstrationskraftwerk sein.

Das 4. Internationale Hot-Dry-Rock-Forum vom 28.-30. 9.1998 in Straßburg wird den Stand der Forschung und Entwicklung darum auch mit dem Ziel diskutieren, mit welchen Strategien diese Technologie zukünftig in den Markt gebracht werden kann.