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Geothermische Kraftwerke gibt es seit über 50 Jahren. Dass die Energie aber aus dem Magma eines Vulkans gewonnen wird, ist neu. Bohrlöcher mit Rekordtiefen von über 4500 Metern in vulkanischen Gebieten generieren sogenannten superkritischen Wasserdampf – und ein vielfaches ein Energie verglichen mit herkömmlichen geothermischen Quellen.
Radioaktiver Zerfall und andauernder Wärmeverlust aus der Zeit, als sich der Planet ursprünglich formte, generieren die interne Hitze der Erde. Die Temperaturen an der Kernmantelgrenze erreichen bis über 4000°C. Diese hohe Temperatur in Kombination mit dem hohen Druck im Innern der Erde lassen bestimmte Gesteine schmelzen, was zu magmatischen Masseverlagerungen unterhalb der festen Erdkruste führt und diese wiederum bewegt und erhitzt.
Geothermische Kraftwerke nutzen diese Hitze in der festen, äusseren Kruste, etwa 2887 km über der Kernmantelgrenze. Im Falle von vulkanisch aktiven Gebieten wie Island giessen sie Wasser in die Spalten eines thermischen Feldes. Das Wasser steigt als heisser Dampf wieder auf. Dieser treibt die Turbinen des Kraftwerkes an, um Elektrizität zu generieren. Bisher nutzten geothermische Kraftwerke die Hitze aus Spalten in der höheren soliden Erdkruste, und nicht von dem geschmolzenen Stein aus tieferen Schichten. Ein Konsortium aus isländischen Energieunternehmen mit dem Namen IDDP (Iceland Deep Drilling Project) plant aber genau dies zu tun.
IDDP-1: flüssiges Magma heisser als 900°C
Ziel von IDDP ist, den Energieoutput pro geothermischem Brunnen zu erhöhen, indem sie diese tiefer bohren. Tiefer bedeutet 4-5 km unter der Erdoberfläche anstatt die üblichen 2-3 km. Bei ihrem ersten Bohrversuch 2009, dem Bohrloch IDDP-1 im Nordosten Islands, stiessen die Geologen allerdings unerwartet bereits bei 2096 Meter Tiefe auf flüssiges Magma.
Messungen des geschmolzenen Steins zeigten über 900°C. Trotzdem gelang es den Geologen, das Bohrloch mit einer Stahlhülle zu zementieren. In dieses goss das Team während Testversuchen über 2 Jahre hinweg Wasser und konnte so 450°C heissen Dampf produzieren. IDDP-1 war damit der weltweit heisseste geothermische Brunnen, mit dem ersten magmaverstärkten Energiesystem der Geschichte.
Der unter hohem Druck stehende, superkritische Dampf zusammen mit ätzenden vulkanischen Gasen wie Hydrogensulfid führte allerdings dazu, dass das Magmakraftwerk wegen Versagen der Ausrüstung 2014 abgeschaltet werden musste.
Der geothermische Brunnen IDDP-1 hatte während seiner kurzen experimentellen Laufzeit mit 30 Megawatt die 7fache Energie eines normalen geothermischen Brunnens erzeugt. Deshalb nahm das Konsortium im August 2016 das zweite Bohrloch in Angriff, IDDP-2. Dieses sollte diesmal absichtlich, gezielt und in grösserem Ausmass Magma-Energie aus der Tiefe nutzen.
IDDP-2: der tiefste geothermische Brunnen der Welt
Ziel von IDDP-2 war ein Bohrloch mit 4.5 km Tiefe im Südwesten Islands zu schaffen, nahe einer geothermischen Anlage mit dem Namen Thor. IDDP-2 sollte eine ländliche Erweiterung des mittelatlantischen Rückens anzapfen, wo zwei tektonische Platten aufeinandertreffen, und so das heisseste Bohrloch der Geschichte entstehen lassen: auf 400 bis 1000 °C wird das Meerwasser durch das Magma der vulkanischen Aktivität erhitzt.
Ausgangspunkt war RN-15, ein bereits existierender, 2500 Meter tiefer geothermischer Brunnen. Diesen vertiefte das Team in einem ersten Schritt auf 3000 Meter und kleideten ihn mit einer Zementstahlhülle aus. Einfach war das Projekt trotz diesem Absprungpunkt nicht. Mit 4.5 km erreichte das Bohrloch eine wesentlich höhere Tiefe als die üblichen 2 bis 3 km. Wegen der ungewöhnlichen Tiefe, den hohen Temperaturen, dem Druck und flüssigem Magma war das Bohren ein Lernprozess, für den auch neue Technologien und Methoden entwickelt werden mussten. Dazu musste das Bohren unterbrochen werden wegen starken Winden (25m/s).
Nach 168 Tagen, am 25. Januar 2017 in 4659 Metern tiefe wurde das Tiefbohrprojekt fertiggestellt. Die gemessene Temperatur am Grund des Brunnens war 427 °C, der Druck 340 Bar (=340facher Druck von jenem an der Erdoberfläche), das Gestein durchlässig. Und vor allem wurde in dieser Tiefe der begehrte superkritische Wasserdampf gefunden.
Superkritischer Wasserdampf
Kombiniert mit extremer Hitze schafft der hohe Druck sogenannten superkritischen Dampf – dieser ist weder flüssig noch gasförmig und beinhaltet mehr Energie als beide Zustände. Potentiell könnte mit diesem superkritischen Wasserdampf eine geothermische Anlage mit 50 MW entstehen, 10mal so stark wie eine konventionelle geothermische Anlage.
Die aussergewöhnlichen Tiefe und Hitze erforderte unkonventionelles Vorgehen. Die ersten 2750 Meter konnte das Team einfach vertikal nach unten bohren. Danach mussten sie aber verschiedene Richtungen einschlagen, so dass der Grund des Brunnens schlussendlich 738 Meter südwestlich vom Ausgangspunkt an der Oberfläche entfernt war. Trotzdem blieb der Bohrer mehrmals stecken, und die letzten 27.3 Meter musste er in 13 Versuchen extrahieren.
Bis Ende 2018 erforscht das Konsortium das Bohrloch IDDP-2. Der superkritische Wasserdampf verspricht mehr Energie mit weniger Aufwand, erfordert aber auch die Entwicklung neuer Methoden. Diese würden aber den neuen Energiebereich geothermischer tief-superkritischer Brunnen erschliessen, welche durch ihre höhere Energieerzeugung indirekt die Umwelt schonen. Wenn die Brunnen tiefer werden, braucht es auch weniger davon.
Je tiefer desto energieeffizienter
Der grösste Anteil geothermischer Energie geht an Elektrizität. Heutige Bohrlöcher sind weniger als 3000 Meter tief und ihr Dampf erreicht eine Temperatur von 250-300°C. Diese Hitze ist für die Turbinen einfach zu bewältigen und die Löcher sind einfach und präzise zum Bohren. 95% aller Brunnen erreichen ihr Ziel beim ersten Versuch, was erhebliche Kosten spart.
Die Zukunft liegt aber mindestens über einen Kilometer tiefer, zwischen 4 und 5 Kilometer unter der Erdoberfläche. In dieser Tiefe ist das Wasser in vulkanischen Gebieten heisser als 400°C und superkritisch, d.h. der Unterschied zwischen flüssig- und gasförmig verschwindet. Weniger geothermische Brunnen können mit diesem superkritischen Wasserdampf mehr Energie gewinnen, was die Umwelt schont.
Diese 4500-Meter Bohrlöcher sind allerdings noch schwierig und kostenintensiv. Neue Modelle müssen entwickelt werden um herauszufinden, wie das Wasser fliesst und wo der richtige Ort zum Bohren ist. Auch braucht momentan niemand diese Energie. Island hat momentan eine Überproduktion und kann als Insel seine Elektrizität nicht exportieren. Die weltweit längste Unterwasserstromleitung zu Grossbritannien ist aber bereits in Planung.
Tiefe Geothermie in der Schweiz
Die Schweiz könnte geothermische Brunnen dieser Tiefe bereits heute bohren, und dies ist auch geschehen. In St. Gallen erreichten 2013 Testbohrungen für einen geothermischen Brunnen 4450 Meter, was allerdings induzierte Erdbeben auslöste. Ein Jahr später wurde das Projekt definitiv gestoppt. Nicht nur wegen dem erhöhten Erdbebenrisiko, sondern auch wegen unzureichender Wasserfündigkeit und einer überraschenden Gasführung in den erschlossenen Gesteinsschichten.
Trotzdem sollte tiefe geothermische Energie in der Schweiz möglich sein. Anders als das auf dem mittelatlantischen Rücken liegende Island liegt die Schweiz zwar im ruhigen Sedimentbecken. Deswegen dürften wir hier bei 4-5 km Tiefe mit Temperaturen unter 200 °C rechnen. Dies ist weniger ergiebig als superkritischer Wasserdampf aus vulkanischem Gebiet, aber immer noch unendliche Energiequelle – und vor allem bereits heute realisierbar.