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Geothermie

Endlose Energie: Plasma-Bohrverfahren soll Durchbruch für Erdwärme bringen

3D Modell Plasma-Pulsed Geo-Drilling Bohrkopf © Fraunhofer IEG, Börner
3D Modell Plasma-Pulsed Geo-Drilling Bohrkopf © Fraunhofer IEG, Börner

Woher soll die Energie der Zukunft kommen? Das ist eine der Kernfragen der aktuellen Zeit. Fest steht, dass die fossilen Energien aus dem Energiemix verschwinden müssen. Bisher werden vor allem  erneuerbarere Energiequellen, wie Solar- und Windkraft als Ersatz genannt. In Österreich soll bereits im Jahr 2030 der komplette Strombedarf des Landes mit Energie aus erneuerbaren Energiequellen decken. Nur mit der Deckung des Strombedarfes ist allerdings ein Großteil des Energieverbrauches noch nicht gedeckt. Den tatsächlichen Verbrauch beschreibt der Bruttoendenergieverbrauch eines Landes. 46 bis 50 Prozent sollen laut dem Nationalen Energie und Klimaplan 2030 in Österreich durch Erneuerbare Energien gedeckt werden. Laut Erhebungen der Österreichischen Energieagentur im Frühjahr 2021 reichen die bisherigen „Erneuerbaren Ausbau-Pläne“ der einzelnen Bundesländer dafür allerdings nicht. Bisher kommen diese für 2030 lediglich auf einen Anteil von 39 Prozent.

Diese Versorgungslücke gilt es zukünftig zu schließen. Ideen dafür gibt es einige. Neben Forschungen zu durch Laserkraft ausgelöste Kernfusionen, Thorium-Reaktoren und Grünem Wasserstoff gibt es bereits jetzt eine weitere Art der Energiegewinnung, welche in den nächsten Jahren voraussichtlich immer mehr in den Fokus der Forschung und der Energieversorger rücken wird: die Geothermie oder, besser gesagt, die Tiefengeothermie. Bei dieser wird eine unerschöpfliche Energiequelle angezapft: die der Erde, verborgen in bis zu 10.000 Meter Tiefe unterhalb der Erdoberfläche.

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Plasma zerreisst Steine von innen

Die Nutzung der Erdwärme durch den Menschen ist dabei natürlich kein neuer Ansatz. Bereits jetzt wird diese in der Raumwärme verstärkt genutzt. Dabei werden allerdings zumeist nur Bohrungen in bis zu zehn Meter Tiefe vorgenommen. Ziel der Tiefengeothermie ist es, deutlich tiefer zu bohren und so Energie für die Stromversorgung zu nutzen. Auch heute wird die Erdwärme bereits teilweise als Energiequelle genutzt. Damit diese Art der Stromgewinnung hierzulande aber wirtschaftlich ist, braucht es mindestens Temperaturen von 150 Grad Celsius, welcher erst in einer Tiefe von 5.000 bis 10.000 Meter anzutreffen sind, so Jascha Börner von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie (IEG). In tieferen Erdschichten stoßen die Bohrer vor allen Dingen auf Hartgestein. Das führt bei herkömmlichen Bohrern zu frühzeitigen Verschleißerscheinungen und dadurch zu hohen Kosten. Börner ist Teil einer Forschung, welche daher an neuen Bohrverfahren arbeitet: Ein Bohrverfahren, bei welchem durch Hochspannungsimpule Plasmakanäle in die Steine initiiert werden. Diese Plasmakanäle zerreissen die Steine von innen.

„Plasma Pulsed Geo Drilling (PPGD)“ nennt sich das Verfahren, an deren Erforschung Börner beteiligt. Geleitet wird das Projekt seit dem Start im Juli 2018 von der ETH Zürich. Bei diesem Verfahren soll der Gesteinsabtrag elektrisch-thermisch über Hochspannungspulse erfolgen, und die Gesteinsschichten somit berührungslos zerstören. „In dem  Bohrkopf sind zwei Elektroden integriert, durch welche Strom fließt. Dieser Strom initiiert Plasma in den Stein, sodass dieser von innen nach außen bricht. Das hat den riesigen Vorteil, dass nur ein Drittel an Energiemenge gebraucht wird, im Vergleich zu dem was gebraucht würde, wenn die Steine von außen zerdrückt werden“, so Börner.

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Bisher nur im Labor möglich

Bisher funktioniert das allerdings nur im Labor. „Bis wir unserer Bohrverfahren wirklich ins Bohrloch bringen dauert es vermutlich noch. Bis dahin muss noch einiges an Entwicklung in die Forschung investiert werden“, so Börner. Laut dem Forschenden ist bestenfalls in den nächsten fünf bis zehn Jahren mit einem Prototypen für Tiefenbohrungen zu rechnen. Die größte Herausforderung sei es bisher, die Sektorenkopplung der verschiedenen Energiesysteme, wie Wind, Sonne, Geothermie oder anderes, bestmöglich zu koppeln. Nur so könne das Potenzial der einzelnen Systeme vollständig ausgeschöpft werden, ist sich der Forschende sicher. Die Energie für das Bohrverfahren soll dann bestenfalls auch aus dezentralen erneuerbaren Energiequellen stammen. Im Moment werden viele Bohranlagen noch mit Hilfe von Dieselgeneratoren betrieben, so Börner.
Bevor eine geothermische Anlage erbaut werden kann, braucht es im Vorfeld entsprechende Voruntersuchungen und gravimetrische Messungen durch Geologen. So sollen mögliche Gefahren, wie Erdbeben, Erdrutsche oder Erhebungen durch diese Tiefbohrungen verhindert werden. „Wenn diese Voruntersuchungen vernünftig gemacht werden, ist ein Erdbebenrisiko sehr gering. Durch unsere Bohrungen entsteht ja nicht einfach ein Loch im Boden. Es werden eine Zementplatte und Stahlrohre hineingebaut, welche die Fläche entsprechend stabilisieren“, so Börner.
Als Ersatz für die Solar-oder Windkraft sieht dieser die Tiefengeothermie übrigens nicht. Für ihn diese Energiequelle eher eine Ergänzung zu anderen erneuerbaren Energien, wenn durch diese zu wenig Energie produziert wird. „Der Vorteil von den geothermischen Anlagen liegt eben auch darin, dass sie relativ schnell runtergefahren werden könnten, wenn es zu Energiespitzen kommt. So wird kein Überschuss produziert“, so der Forschende.

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