Wie man die Geothermie wirklich für die Energiewende einsetzen könnte

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Aus dem Erdinneren gelangt genug Wärme an die Oberfläche, um den gesamten weltweiten Energiebedarf zu decken – sogar zweimal. Aber um diese Ressource nutzbar zu machen, muss man erstens zumeist tief bohren und zweitens diese Wärme in eine nutzbare Form umwandeln. Das ist schwierig und teuer, weshalb Geothermie-Systeme – manchmal auch als "vergessene Erneuerbare" bezeichnet – nur etwa 0,3 Prozent der weltweiten Stromerzeugung ausmacht.

Geld für vier Demonstrationsanlagen

In den USA könnte sich das bald ändern. Das kürzlich verabschiedete neue Infrastrukturgesetz der Biden-Regierung sieht immerhin 84 Millionen Dollar für das amerikanische Energieministerium vor, um vier Demonstrationsanlagen zu bauen, in denen sogenannte Enhanced Geothermal Systems (EGS), experimentelle Formen der Technik, getestet werden.

Die Mittel sind zwar nur ein winziger Bruchteil der 62 Milliarden Dollar, die dem Energieministerium im Rahmen des Infrastrukturgesetzes insgesamt zur Verfügung stehen, die auch Gelder für den Bau neuer Fernübertragungsleitungen, die Stärkung der Lieferkette für Batterien und Erhaltungsmaßnahmen für Kernkraftwerke vorsieht. Geothermieforscher sind jedoch der Meinung, dass selbst diese begrenzten Mittel den Übergang von EGS zur kommerziellen Nutzung erheblich erleichtern könnten. "Die Geothermie ist wirklich reif für die Primetime", sagt etwa Tim Latimer, Gründer und CEO des EGS-Start-ups Fervo.

Der Reiz der Geothermie liegt in ihrer Beständigkeit: Während die Stromproduktion von Wind- und Solaranlagen je nach Wetter und Tageszeit schwankt, ist die Geothermie immer in Betrieb und bietet eine stabile Stromquelle.

Weitere Geothermie-Standorte gesucht

"Sie ist wirklich die einzige erneuerbare Grundlastversorgung", sagt Jody Robins, Geothermie-Ingenieur am National Renewable Energy Laboratory. Nur die Kernenergie – die zwar kohlenstofffrei, aber nicht erneuerbar ist – könnte eine ähnliche Rolle spielen, obwohl Kosten, das Entsorgungsproblem und die öffentliche Wahrnehmung ihren Einsatz einschränken.

Moderne Geothermie-Kraftwerke sind in den USA seit den 70er Jahren in Betrieb. Bei diesen Anlagen wird in der Regel heißes Wasser oder Dampf aus dem Untergrund an die Oberfläche gepumpt, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen. Anschließend wird das Wasser wieder nach unten gepumpt, um den Druck im Untergrund aufrechtzuerhalten, damit der Prozess weiterlaufen kann.

Die besten Geothermie-Standorte weisen bestimmte Merkmale auf: Erdwärme, durchlässiges Gestein und Wasser – alles in unmittelbarer Nähe zueinander und nicht zu weit von der Oberfläche entfernt. Die am besten zugänglichen Standorte – in den USA sind sie hauptsächlich im Westen konzentriert – sind jedoch bereits erschlossen. Obwohl die Forscher davon ausgehen, dass noch viele weitere potenzielle Standorte gefunden werden könnten, ist es schwer herauszufinden, wo diese liegen. Und in den meisten östlichen Regionen der USA und an vielen anderen Orten auf der Welt ist das Gestein im Untergrund nicht so beschaffen, dass herkömmliche Anlagen funktionieren – oder es fehlt Wasser.

Einige Forscher und Start-ups versuchen deshalb, Geothermie an neuen Orten zu nutzen. Mit EGS wollen sie den Untergrund verändern, indem sie Flüssigkeit in undurchlässiges Gestein pumpen und die notwendigen Wege zu öffnen. Dadurch entsteht Raum, in dem sich das Wasser frei bewegen und erhitzen kann, wodurch der für die Energieerzeugung benötigte Dampf entsteht. Ganz unproblematisch ist das nicht: Das Verfahren kann Erdbeben auslösen, wie erste Projekte in Südkorea und der Schweiz gezeigt haben. EGS ähnelt jedoch dem in den USA weit verbreiteten Fracking – und die Risiken dürften in den meisten Fällen beherrschbar sein, so Robins. Mit diesem Ansatz könnte die Geothermie auf Orte ausgedehnt werden, die nicht über das Grundwasser oder die Gesteinsarten verfügen, die für herkömmliche Anlagen erforderlich sind.

Dennoch wird es nicht einfach sein, diese Ressourcen zu erreichen. Kommerzielle Bohrungen gehen in der Regel nicht viel tiefer als sieben Kilometer – aus Kostengründen oft sogar noch weniger – und viele Regionen, die von der Geothermie profitieren könnten, sind in dieser Tiefe nicht heiß genug, um die 150 Grad Celsius zu erreichen, die für eine wirtschaftliche Stromerzeugung erforderlich sind. Um ausreichende Temperaturen zu erreichen, muss man möglicherweise tiefer gehen, was neue Techniken erfordert, die hoher Hitze und hohem Druck standhalten können.

Best Practices für EGS

Fervo arbeitete einige Probleme in seinen eigenen Projekten heraus, darunter ein Vorhaben, das Anfang diesen Jahres mit Google angekündigt wurde, um geothermische Kapazitäten in der Nähe der Rechenzentren des Unternehmens in Nevada zu installieren. Seit kurzem ist Fervo auch an einem Projekt des US-Energieministeriums in Zentral-Utah beteiligt, das den Namen FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy) trägt.

Wissenschaftliche Forscher und Kollegen aus der Industrie versuchen im Rahmen von FORGE, die besten Ideen für den Einsatz von EGS zu finden, einschließlich Bohrungen und Wartung der Reservoirs. Der Standort wurde ausgewählt, weil seine Geologie ziemlich repräsentativ für Orte ist, an denen andere EGS-Anlagen in den USA gebaut werden könnten, sagt Lauren Boyd, EGS-Programmmanagerin im Geothermal Technologies Office des Ministeriums.

Mit den neuen Mitteln aus dem Infrastrukturgesetz wird die Behörde vier weitere Demonstrationsanlagen finanzieren. Das wird das Wissen der Forscher über die Errichtung von EGS-Anlagen erweitern, da sie an verschiedenen Orten und mit unterschiedlichen Gesteinsarten arbeiten können. Mindestens eine Anlage wird im Osten der USA gebaut werden, wo die Geothermie bislang weniger verbreitet ist.

Aber nicht nur technologische Hindernisse haben den Fortschritt der Geothermie gebremst, sagt Susan Hamm, Direktorin des Geothermal Technologies Office beim US-Energieministerium. Der Bau einer geothermischen Anlage kann wegen der vielen notwendigen Genehmigungen bis zu zehn Jahre dauern. Durch die Vereinfachung der Bürokratie könnte diese Zeit fast halbiert und die prognostizierte geothermische Kapazität bis 2050 verdoppelt werden.

Hohe Kosten – zumindest am Anfang

Auch die Finanzierung von Geothermie-Projekten kann eine Herausforderung darstellen. Sie erfordern höhere Kapitalkosten als Solar- oder Windprojekte: 3.000 bis 6.000 US-Dollar pro Kilowatt, verglichen mit 1.700 bis 2.100 Dollar pro Kilowatt bei Wind- und Solaranlagen. (Allerdings produziert eine geothermische Anlage zwei- bis viermal so viel Strom wie eine Wind- oder Solaranlage mit der gleichen Kapazität.)

Die Geothermie erhält mittlerweile in einigen Regionen ähnliche Steuervergünstigungen wie andere erneuerbare Energieformen. Da es jedoch wie erwähnt fast ein Jahrzehnt dauern kann, bis mit dem Bau eines Projekts begonnen wird, können sich die Entwickler nicht darauf verlassen, dass die Steuervergünstigungen so lange aktiv bleiben, bis die Anlage betriebsbereit ist.

Mit einer Kombination aus neuen politischen Rahmenbedingungen und dem technologischen Fortschritt könnte die geothermische Stromerzeugung in den USA laut einem Bericht des US-Energieministeriums aus dem Jahr 2019 bis zum Jahr 2050 bis zu 60 Gigawatt erreichen. Das würde bedeuten, dass die Geothermie fast 9 Prozent der gesamten Stromerzeugung in den USA ausmachen würde, verglichen mit 0,4 Prozent heute.

(bsc)