Wie das Bohren der tiefsten Löcher der Welt den Klimawandel bekämpfen könnte

Die Annäherung an den sonnenheißen Kern der Erde ist der Schlüssel zur Skalierung von Geothermiekraftwerken. Aber es ist schwieriger als es aussieht, kilometerweit in den Boden zu graben.

Die enorme geothermische Energie, die unter der Erdoberfläche eingeschlossen ist, lässt Wissenschaftler sabbern, weil sie das Potenzial hat, die ganze Welt mit sauberer Energie zu versorgen. Um diese natürliche Kraft zu nutzen, müssen Ingenieure eine neue Strategie entwickeln, um Dutzende Meilen tief in die Erde und ins Gestein zu bohren. Ein Spin-off-Unternehmen des MIT glaubt, die Antwort zu haben: Millimeterwellenbohrungen.

„Der Gesamtenergiegehalt der unter der Erde gespeicherten Wärme übersteigt unseren jährlichen Energiebedarf als Planet um den Faktor einer Milliarde“, sagt Matt Houde, Mitbegründer von Quaise Energy, in einer Pressemitteilung. „Die Nutzung eines Bruchteils davon reicht also mehr als aus, um unseren Energiebedarf auf absehbare Zeit zu decken.“

Es ist nur das Klopfen, das ein Problem darstellt.

Basierend auf Forschungsergebnissen von Paul Woskov vom Plasma Science and Fusion Center des MIT ist Quaise Energy davon überzeugt, dass es genug Gestein verdampfen kann, um die tiefsten Löcher der Welt zu schaffen und geothermische Energie in großem Maßstab zu gewinnen, um den menschlichen Energieverbrauch zu decken, ohne dass fossile Brennstoffe erforderlich sind.

Einfach ausgedrückt ist Geothermie Wärme, die tief im Erdinneren gespeichert ist. Nach Angaben der US Energy Information Administration ist diese Hitze auf den langsamen Zerfall radioaktiver Partikel wie Uran, Thorium und Kalium im Erdkern zurückzuführen. Hier kann es ziemlich heiß werden – so heiß wie die Sonnenoberfläche mit 10.800 Grad Fahrenheit.

Um diese geothermische Energie zu nutzen, wandeln Länder wie Island sie durch Dampf in Strom um. Wenn Wasser in geothermischen Reservoiren oder Grundwasserleitern in der Erdkruste erhitzt wird, entsteht Dampf, der dann Turbinen antreibt, die einen Generator aktivieren und letztendlich Strom ausspucken. Wenn der Dampf wieder zu Wasser wird, wird er zum Boden zurückgeführt, sodass er den Kreislauf erneut durchlaufen kann.

Obwohl dies eine nahezu unbegrenzte Form der nachhaltigen Energieerzeugung ist, wird sie derzeit nicht ausreichend genutzt. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur wuchs die geothermische Stromerzeugung im Jahr 2020 mit einer zusätzlichen Kapazität von 200 Megawatt nur um etwa 2 Prozent, was einen deutlichen Rückgang gegenüber dem Wachstum der vorangegangenen fünf Jahre darstellt. Nach Angaben der Union of Concerned Scientists verfügt ein typisches Kohlekraftwerk wohlgemerkt über eine Kapazität von etwa 600 MW.

Um bis 2030 Netto-Null-Emissionen zu erreichen, muss die weltweite geothermische Energieproduktion zwischen 2021 und 2030 jedes Jahr um 13 Prozent oder etwa 3,6 Gigawatt Kapazität steigen. Damit das gelingt, brauchen wir einen besseren Zugang zu diesem ultraheißen Wasser aus dem Erdkern. Hier kommt das Millimeterwellenbohren ins Spiel.

Das derzeit tiefste Bohrloch der Welt ist das Kola Superdeep Borehole in Russland in der Nähe von Norwegen. Als Projekt der Sowjetunion – und das Ergebnis eines weniger bekannten wissenschaftlichen Wettlaufs mit den USA – war es ein Versuch, so tief wie möglich in die Erdkruste zu bohren, die unter den Kontinenten durchschnittlich etwa 30 Kilometer (18,6 Meilen) dick ist. nach Angaben des US Geological Survey. Doch dieses Loch reicht nur 7,6 Meilen tief in die Erdkruste und es hat 20 Jahre gedauert, bis es fertig war, da herkömmliche Geräte wie mechanische Bohrer den Bedingungen in diesen Tiefen nicht gewachsen sind.

Die Quaise-Technologie, die darauf ausgelegt ist, Gestein mit Millimeterwellen zu sprengen, könnte eine Lösung sein. Durch den Ersatz herkömmlicher Bohrer durch Millimeterwellenenergie, angetrieben von einer Gyrotronmaschine, ist es möglich, das Gestein zu schmelzen und dann zu verdampfen, um viele dieser tiefen Löcher zu erzeugen. Das MIT brauchte über 15 Jahre, um die allgemeine Technik in einem Labor zu entwickeln und schließlich zu demonstrieren, dass Millimeterwellen Löcher in Basalt bohren können. Quaise sagt, dass seine Technologie es ihm ermöglichen wird, 20 Kilometer (12,4 Meilen) in den Boden vorzudringen, wo die Temperaturen über 900 Grad Fahrenheit erreichen.

Geplant ist die Einführung eines Hybriddesigns, bei dem zunächst die von der Öl- und Gasindustrie entwickelte konventionelle Drehbohrtechnologie zum Durchschneiden der Erdoberflächenschichten zum Einsatz kommt. Sobald die Teams dann das Grundgestein erreicht haben, schalten sie auf leistungsstarke Millimeterwellen um, die „ideal für das harte, heiße, kristalline Gestein in der Tiefe sind, mit dem konventionelle Bohrungen zu kämpfen haben“, sagt Houde.

Quaise sagt, dass es bis 2024 sein erstes vollwertiges Hybridbohrgerät in Betrieb nehmen wird. Bis 2026, so das Unternehmen, wird sein erstes Geothermiesystem – mit einer Leistung von 100 Megawatt thermischer Energie – von einer Handvoll Bohrlöchern aus betrieben. Bis 2028 soll damit begonnen werden, mit fossilen Brennstoffen betriebene Energieanlagen durch geothermische Anlagen zu ersetzen.

„Bei diesen hohen Temperaturen, auf die wir zugreifen, erzeugen wir Dampf, der der Temperatur, bei der heutige Kohle- und Gaskraftwerke betrieben werden, sehr nahe kommt, wenn nicht sogar darüber liegt“, sagt Houde. „Wir können also zu bestehenden Kraftwerken gehen und sagen: ‚Wir können 95 bis 100 Prozent Ihres Kohleverbrauchs ersetzen, indem wir ein Geothermiefeld entwickeln und Dampf aus der Erde erzeugen, bei der gleichen Temperatur, bei der Sie Kohle verbrennen, um Ihre Turbine anzutreiben.‘ , wodurch die CO2-Emissionen direkt ersetzt werden.‘“

Das ist noch kein beschlossenes Geschäft. Quaise sagt, es müsse die Gesteinseigenschaften in großer Tiefe besser verstehen und die Lieferkette für Gyrotrons vorantreiben, die linearen Vakuumröhren, die Millimeterwellen erzeugen. Derzeit ist die betreffende Ausrüstung für spezialisierte einmalige Fusionsforschungsprojekte optimiert, die Technologie muss jedoch in großen Mengen und mit einem robusten Design hergestellt werden, das für eine Feldumgebung geeignet ist.

Hinzu kommen einige zusätzliche technische Herausforderungen, wie z. B. die richtige Entfernungstechnik für die beim Bohren des Bohrlochs entstehende Asche und die Notwendigkeit, die Bohrlöcher nach der Fertigstellung stabil und offen zu halten.

„Dies wird schnell geschehen, sobald wir die unmittelbaren technischen Probleme der Übertragung eines sauberen Strahls und dessen Betrieb mit hoher Energiedichte ohne Ausfälle gelöst haben“, sagt Woskov in der Pressemitteilung. „Es wird schnell gehen, weil die zugrunde liegende Technologie, Gyrotrons, kommerziell verfügbar ist.“

Ein Gyrotron verfügt über eine leistungsstarke Strahlquelle, ähnlich wie Laser, jedoch mit einem anderen Frequenzbereich. „Ich dachte“, sagt Woskov, „warum diese Hochleistungsstrahlen nicht statt in das Fusionsplasma in den Fels richten und das Loch verdampfen lassen?“

Da sich die geothermischen Energiequellen auf der ganzen Welt verschlechtern, weil herkömmliche Bohrmethoden sich als unpraktisch erwiesen haben, um die heißeren und härteren Krusten in viel tieferen Tiefen als 400 Fuß zu bewältigen, hat das Energieministerium der Vereinigten Staaten Quaise einen Zuschuss angeboten, um die Experimente des Unternehmens mit a zu erweitern größeres Gyrotron, um die Verdampfungsfähigkeiten weiter zu verbessern. Die Arbeit steigert auch weiterhin die Leistung des Bohrers.

„Es sind wirklich technische Herausforderungen, die wir beantworten müssen, was nicht bedeutet, dass sie einfach zu lösen sind, aber wir arbeiten nicht gegen die Gesetze der Physik, auf die es keine Antwort gibt. Es geht vielmehr darum, einige der technischsten und kostenintensivsten Überlegungen zu überwinden, damit dies im großen Maßstab funktioniert“, sagt Houde.

Courtney Linder hat zu diesem Bericht beigetragen.

Tim Newcomb ist ein im pazifischen Nordwesten ansässiger Journalist. Er behandelt Stadien, Turnschuhe, Ausrüstung, Infrastruktur und mehr für eine Vielzahl von Publikationen, darunter Popular Mechanics. Zu seinen Lieblingsinterviews gehörten Treffen mit Roger Federer in der Schweiz, Kobe Bryant in Los Angeles und Tinker Hatfield in Portland.

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