Kilometer unter unseren Füßen: Die superheiße Energiequelle, die alles verändern könnte

Forschung auf der Geothermal Rising-Konferenz verdeutlichte das Potenzial der superheißen Gesteinsgeothermie, indem innovative Bohrtechnologien und die Machbarkeit der Nutzung von Energie aus kilometerweit unter der Erdoberfläche untersucht wurden. Quelle: SciTechDaily.com

In einem Zeichen wachsenden Interesses an der heiligen Gral der Geothermie - der Erschließung des superheißen Gesteins, das Kilometer unter unseren Füßen liegt - wurden bei einer kürzlichen großen Konferenz über die gesamte Geothermiebranche insgesamt 18 Arbeiten zu diesem Thema in mehreren Sitzungen präsentiert.

"Durch Kostensenkung und die Bereitstellung von groß angelegter Geothermie nahezu überall hat die Superhot Rock Energie das Potenzial, das Energiesystem zu stören und zu revolutionieren." Das steht in der Beschreibung der Sitzungen zu Technologischen, Technischen und Geologischen Fortschritten der Superhot-Geothermie, die auf der Geothermal Rising-Konferenz 2023 im Oktober über vier Tage hinweg stattfand.

"Für mich war ein riesiges Highlight auf der Geothermal Rising 2023 der erhöhte Fokus auf superheiße Gesteinsgeothermie durch mehrere Vorträge aus der ganzen Welt", sagt Matt Houde, Mitbegründer und Projektleiter bei Quaise Energy.

Houde ist Mitautor von zwei auf der Konferenz präsentierten Arbeiten. Beide berichten über Forschungsergebnisse, die zeigen, dass die superheiße Geothermie "lebensfähig sein kann", so Houde. Eine der Arbeiten beschreibt die Arbeit eines europäischen Forscherteams an den ersten Computersimulationen eines Superhot Enhanced Geothermal System (EGS)-Reservoirs, das Energie aus mehr als sechs Meilen (10-20 km) Tiefe zapfen kann, wo Gesteine eine Temperatur von mehr als 752 Grad Fahrenheit (400 °C) erreichen können.

In der anderen Arbeit wird die Arbeit eines Forscherteams von TEVERRA, LLC, zur Stabilität eines geothermischen Bohrlochs beschrieben, das sich kilometerweit in die Erde erstreckt, wo superheiße Temperaturen häufig anzutreffen sind. Es werden einige der mit dem Bohren und der Produktion von Geothermie in solchen Tiefen verbundenen Herausforderungen behandelt.

Houde betonte, dass obwohl beide Arbeiten "einige unserer Annahmen über das Potenzial eines superheißen Reservoirs bestätigen", weitere Forschung notwendig sei. "Wir brauchen mehr experimentelle Daten, um die Lebensfähigkeit der Ressource vollständig zu bestimmen."

Grafik, die die Druckverteilung der Flüssigkeit um ein super tiefes geothermisches Bohrloch zeigt. Das Bild wurde durch die ersten Simulationen eines superheißen, super tiefen Enhanced Geothermal Systems erstellt. Quelle: Samuel Scott, Institute of Earth Sciences an der University of Iceland

Die größte Menge an Geothermieenergie liegt etwa 2 bis 12 Meilen unter der Erdoberfläche, wo das Gestein so heiß ist, dass Wasser in diesem Bereich überkritisch werden würde, eine dampfähnliche Phase, mit der die meisten Menschen nicht vertraut sind. (Gewohnte Phasen sind flüssiges Wasser, Eis und der Dampf, der Wolken bildet.) Überkritisches Wasser kann wiederum etwa 5-10 Mal mehr Energie tragen als normales heißes Wasser, was es zu einer äußerst effizienten Energiequelle macht, wenn es nach oben zu Turbinen gepumpt werden könnte, die es in Elektrizität umwandeln.

Derzeit haben wir keinen Zugang zu diesen Ressourcen. Das wichtigste Problem: Wir können nicht tief genug bohren. Die Bohrer, die in der Erdöl- und Erdgasindustrie verwendet werden, können den enormen Temperaturen und Drücken, die sich in mehreren Kilometern Tiefe finden, nicht standhalten, ohne mit zunehmender Tiefe exponentiell teurer zu werden.

Quaise arbeitet daran, die konventionellen Bohrköpfe, die den Fels mechanisch zerkleinern, durch Millimeterwellenenergie zu ersetzen (Verwandte der Mikrowellen, mit denen viele von uns kochen). Diese Millimeterwellen schmelzen und verdampfen buchstäblich den Fels, um immer tiefere Löcher zu schaffen.

Während das Unternehmen die Technologie entwickelt, finanziert es auch Grundlagenforschung, um ein besseres Verständnis der Dynamik und Bedingungen im Zusammenhang mit der Erschließung der Wärme tief unter unseren Füßen zu erhalten. Carlos Araque, CEO von Quaise, sagt: "Wir wollen nicht blind ein Loch bohren und auf das Beste hoffen. Wir wollen sicherstellen, dass wir das beste menschliche Wissen und Verständnis nutzen, um zu wissen, was uns erwartet."

Die Arbeit über die ersten Simulationen von Wärmeabbau in Tiefen von 10-25 km wurde von ihrem Erstautor, Samuel Scott vom Institute of Earth Sciences an der University of Iceland, vorgestellt. Neben Houde waren auch Alina Yapparova vom Institute of Geochemistry and Petrology an der ETH Zürich und Philipp Weis vom GFZ Potsdam German Research Center for Geosciences Mitautoren.

Obwohl der Vortrag von Scott aufgrund der Überprüfung des Papiers durch eine wissenschaftliche Zeitschrift eingeschränkt war, beschrieb er die grundlegende Funktionalität der Modelle hinter den Simulationen und einige Ergebnisse.

For example, he said, “our models show that superhot rock enhanced geothermal systems can achieve high power output with a small spatial footprint,” or amount of land needed atop the hole. More specifically, he said, “we found that hypothetical systems involving a well doublet or triplet can deliver a thermal power output of >100-120 MW per well for timescales of decades.” That’s 5-10 times more power than typically produced today from a conventional, shallower geothermal system, Houde says, and this improvement in power density could make geothermal competitive with oil and gas.

Scott notes that these results depend on the model assumptions, particularly the effectiveness of hydraulic stimulation at such depths. As a result, he and colleagues are continuing research to refine the models with more data and constraints on rock behavior. They are focusing on three key parameters: water flow within the holes, or wellbores; the chemical reactions expected to occur in the reservoir; and rock mechanics and fractures at these depths and temperatures.

The paper on wellbore stability was presented by Jerjes Porlles of TEVERRA, LLC. His coauthors, in addition to Houde, are Andrew Madyarov, Joseph Batir, and Hamed Soroush, all of TEVERRA.

Specifically, Porlles and colleagues explored the stability of a wellbore at the depths that Quaise is targeting for superhot rock geothermal energy production. Says Porlles, “in this paper, we explored some of the dynamics behind fluid flow and cool water – rock interactions in a hypothetical borehole, and none of the models show borehole stability issues.” That said, he emphasized the need for additional data on, for example, rock type and associated material properties, and further testing on the material properties developed during the millimeter wave drilling process” being developed by Quaise.

The work on both of these papers was supported by Quaise Energy.