Energiegewinnung Energie aus Teufels Küche

In einem abenteuerlichen Langzeitprojekt versuchen Wissenschaftler, die tiefe Glut der Erde, das Magma, energetisch anzuzapfen

Ein höllischer Fleck Erde: Aus schwarzem Lavagestein zischt Dampf, in Pfützen blubbert ein giftiger Brei aus Schlamm, die Seen in Explosionskratern glitzern wie böse Augen. Wer durch diese wüste Landschaft läuft, spürt die Unterwelt kochend heiß unter den Füßen. Der Vulkan Krafla im Norden Islands liefert das passende Ambiente für ein abenteuerliches Projekt. Wissenschaftler aus aller Welt wollen hier in eine neue Dimension der Erdwärmenutzung vorstoßen.

Ihr Ziel ist es, bis zu fünf Kilometer in den Höllenschlund hineinzubohren – fast bis zur Magmakammer, dem glutflüssigen Herzen des Vulkans. In dessen Nähe hoffen sie, auf Wasser zu stoßen, das zwischen 400 und 600 Grad heiß ist und unter dem gewaltigen Druck von rund 250 Bar steht. Wasser befindet sich dann in einem »überkritischen« Zustand und lässt den Inhalt eines Druckwasserreaktors wie etwa im Kernkraftwerk Brokdorf fast langweilig erscheinen: Dort herrschen »nur« 326 Grad und 157 Bar.

Überkritisches Wasser? »Dahinter steckt keine Hexerei«, versichert Jörg Starflinger vom Forschungszentrum Karlsruhe. Reines Wasser wird ab 374 Grad Celsius und einem Druck von 221 Bar überkritisch. Enthält es Salze, wie in Island, dann liegen die Werte noch höher. Unter solchen Bedingungen verschwinden die Unterschiede zwischen den klassischen Aggregatzuständen flüssig und gasförmig. Überkritisches Wasser bewegt sich flink wie ein Gas, hat aber die Dichte einer Flüssigkeit. Es lässt sich nicht verflüssigen, selbst wenn der Druck noch so hoch steigt. Und es enthält, anders als Dampf, keine Wassertröpfchen, ist also völlig trocken. Vor allem aber birgt es ungewöhnlich viel Energie, die eine besonders ergiebige Stromausbeute verspricht. Nach einer Überschlagsrechnung genügt eine Förderrate von 0,67 Kubikmetern pro Sekunde, um ein Kraftwerk mit einer Leistung von 40 bis 50 Megawatt zu betreiben. In einem herkömmlichen Geothermiekraftwerk, das mit Dampf von rund 200 Grad bei 25 Bar läuft, liefert ein solcher Durchfluss allenfalls 5 Megawatt.

Längst nutzen Ingenieure die hohe Energiedichte von überkritischem Wasser. Weltweit laufen rund 500 Kohlekraftwerke mit solchem Wasser. Die Meiler zeichnet ein hoher Wirkungsgrad aus – und entsprechend geringer Ausstoß an Kohlendioxid. Denn als Faustregel gilt: Je höher Druck und Temperatur, desto reicher die Energieausbeute. Moderne Kraftwerke, wie sie etwa in Großkrotzenburg bei Hanau oder in Hamburg-Moorburg entstehen sollen, werden mit Wasser von 600 Grad und 280 Bar betrieben und erreichen einen Wirkungsgrad von 46 Prozent. Zum Vergleich: Die chinesischen Kohlekraftwerke kommen im Durchschnitt auf einen Wirkungsgrad von 23 Prozent und emittieren pro Kilowattstunde rund doppelt so viel Treibhausgas wie moderne Blocks.

Ein Erdwärmekraftwerk gehorcht freilich anderen Gesetzen als ein Kohlekraftwerk. Im Untergrund lauern böse Überraschungen. Die Einwohner von Basel erinnern sich noch mit Schrecken an den Dezember 2006, als plötzlich die Erde bebte, nachdem Forscher bei einem Erdwärmeprojekt Wasser unter hohem Druck in ein fünf Kilometer tiefes Bohrloch gepresst hatten, um die Durchlässigkeit des Gesteins zu erhöhen. Auch in der Kleinstadt Staufen im Breisgau reagiert der Untergrund. Seit unter dem Rathaus Erdwärmebohrungen 140 Meter tief ins Gestein getrieben wurden, senkt sich der Boden und lässt Hauswände reißen.

Was wird erst passieren, wenn man bis in die Nähe einer Magmakammer vorstößt – quillt aus dem Bohrloch am Ende Magma statt Wasser? Die Gefahr ist gegeben, schließlich ist das in Island schon einmal passiert. Aufsteigendes Magma bedeutet zwar noch lange nicht, dass der Vulkan ausbricht. Doch die teure Bohrung wäre verloren. »Entscheidend ist, wie gut man die Verhältnisse in der Tiefe vorhersagen kann«, sagt Geothermie-Experte Christoph Clauser von der RWTH Aachen.

Das ist nur eine der heiklen Fragen bei diesem Vorhaben. Obwohl die Forscher schon eine Menge Vorarbeit geleistet haben, müssen sie noch viele technische und wissenschaftliche Herausforderungen stemmen. »Niemand wagt eine Prognose, ob das Ganze überhaupt funktioniert«, sagt Ernst Huenges vom Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ). »Das ist Grundlagenforschung.« Die Verantwortlichen tasten sich deshalb schrittweise an den überkritischen Bereich heran. Sie rechnen nicht in Monaten, sondern in Jahren.

Schon vor acht Jahren starteten isländische Energieunternehmen das Projekt. Da sie es ernst meinen, haben sie gleich drei Bohrungen geplant: eine wissenschaftliche im Rahmen des Internationalen Kontinentalen Bohrprogramms (ICDP), die den Weg abstecken soll, und zwei kommerzielle. Die Idee, ein vorhandenes Bohrloch in der Nähe der Hauptstadt Reykjavík zu vertiefen, scheiterte, weil die Röhre kollabierte. »Island ist ein schwieriges Terrain, da verliert man immer mal wieder eine Bohrung«, sagt Huenges. Ende Juni dieses Jahres ging es am Krafla los, da setzte der Bohrmeißel an und schraubte ein relativ dickes Loch zunächst 91 Meter tief in den Untergrund. Jetzt, im Herbst, will man 800 Meter und im Juli 2009 schließlich 4,5 Kilometer Tiefe erreichen.

Island eignet sich hervorragend für diese Art der Energiegewinnung. Die Insel ist Teil des Mittelozeanischen Rückens, einer weltumspannenden Gebirgskette, die weitgehend unter dem Meer verläuft. Hier driften die tektonischen Platten auseinander und lassen die Erdkruste aufreißen, sodass Magma aus zahllosen Vulkanen quillt. Der gewaltige Erdriss verläuft mitten durch Island, weshalb es geologisch teils zu Europa und teils zu Amerika gehört.

Der heiße vulkanische Untergrund macht es leicht, Erdwärme zu nutzen – auch ohne Magmakammern gefährlich nahe zu kommen. Während man in Deutschland mindestens fünf Kilometer tief bohren muss, um aus heißem Gestein Strom gewinnen zu können, reichen hier oft schon zwei. Die Isländer nutzen ihren klimafreundlichen Schatz seit Langem. Erdwärme liefert rund 60 Prozent der Primärenergie, Wasserkraft noch einmal 20 Prozent. 89 Prozent aller isländischen Wohnungen werden mit Heißwasser aus dem Untergrund beheizt, sogar viele Straßen und Bürgersteige mit Erdwärmeheizung im Winter schnee- und eisfrei gehalten. Günstige Strompreise locken die energiehungrige Aluminiumindustrie an.

Die positiven Erfahrungen haben industrielle und staatliche Investoren veranlasst, eine zweistellige Millionensumme in das riskante Projekt am Krafla zu stecken. Zum Gelingen will auch das Geoforschungszentrum Potsdam beitragen. Deutsche Geowissenschaftler setzen Gesteinsproben vom Krafla im Labor den Temperatur- und Druckbedingungen aus, wie sie in fünf Kilometer Tiefe herrschen, und messen die physikalischen Eigenschaften. Mit solchen Daten und Schallmessungen von der Erdoberfläche aus will man abschätzen, was den Bohrtrupp im Untergrund erwartet. Zum Beispiel, ob das Gestein überhaupt genügend Wasser für eine rentable Stromproduktion führt. Vieles spricht dafür, denn in Island reißen immer neue Spalten auf, die dem Wasser einen Weg bahnen.

GFZ-Forscher entwickeln zudem ein neuartiges Bohrlochthermometer, das selbst bei größter Hitze und unter höchstem Druck noch funktionieren soll, ganz ohne empfindliche Elektronik. Das Prinzip ist einfach: Durch eine Glasfaser wird ein Laserstrahl geschickt und aus der Rückstreuung auf die Temperatur geschlossen.

In der Nähe einer Magmakammer drohen unweigerlich Bohrprobleme – sogar in üblichen Routinetechniken wie der Zementierung des kilometerlangen Rohrstrangs. Das Rohr darf nicht wie eine Rakete aus dem Boden schießen, wenn das Ventil geschlossen wird und der Druck plötzlich hochschnellt. Deshalb wird es mit Zement hinterfüllt, sodass es mit dem Gestein eine feste Einheit bildet. Doch unter so extremen Bedingungen wie am Krafla wurde Derartiges noch nie angepackt. Welcher Zement eignet sich? Wie bekommt man ihn in jede Ritze? Das Problem ist nicht nur die Hitze, sondern auch der extreme Temperaturunterschied, den der Gesteinsbrei beim Fließen durch den engen Spalt überwinden muss.

Auch die Korrosion bereitet den Wissenschaftlern Kopfzerbrechen. Denn überkritisches Wasser verhält sich ausgesprochen aggressiv. Wie es seiner Umgebung zusetzt, zeigen die superheißen natürlichen Thermalquellen, die »Schwarzen Raucher«, die in der Tiefsee wie Schornsteine qualmen. Dort löst überkritisches Wasser Minerale aus dem Gestein und färbt die Quellen dunkel. Auch Chemiker wissen um seine Aggressivität – und machen sie sich zunutze. So ziehen sie beispielsweise mit überkritischem Wasser organischen Dreck aus dem Klärschlamm, auch Koffein lässt sich so aus dem Kaffee extrahieren.

Sollen die Anlagen in Island viele Jahre halten, müssen ihre Metallteile gut geschützt werden. Aber wie? Erfahrungen aus den Kohlekraftwerken, die auch überkritisches Wasser benutzen, helfen nicht weiter. »Die haben bisher keine Probleme mit Korrosion«, sagt Starflinger. Allerdings verwenden sie hochreines Wasser, das sie obendrein mit chemischen Zusätzen entschärfen. Bei der Geothermie kann man sich das Wasser nicht aussuchen, sondern muss nehmen, was aus der Tiefe kommt. Niemand weiß genau, welche Zusätze der Vulkan dort einrührt.

Bleibt noch das Problem, das überkritische Wasser bis zur Oberfläche zu bringen, ohne dass es einen erheblichen Teil seiner Energie verliert. Das kilometerlange Förderrohr wirkt wie ein Kühler, das die kostbare Energie raubt. Eine Abkühlung und gleichzeitige Druckentlastung könnte zu einer Verflüssigung des Wassers führen. »Wir müssen nach Möglichkeit die Temperatur halten, damit wir nicht im flüssigen Bereich landen«, sagt GFZ-Experte Huenges. Eine Isolierung könnte helfen – aber die würde die Röhre enger machen, sodass die Energieausbeute geringer ausfiele.

So verwegen das isländische Projekt auch wirkt, es soll doch nur ein weiterer Meilenstein sein bei der Entwicklung der Erdwärmenutzung: Nach den flachen Erdwärmepumpen, die längst Wohngebäude klimatisieren, den tiefen Bohrungen, die heißes Wasser zum Heizen und Dampf zum Verstromen liefern, und den künstlich geschaffenen Durchlauferhitzern wie in Basel, die sogar aus trockenem Gestein Energie zapfen, kommt jetzt der Zugriffversuch in die heißen Eingeweide der Erde. Wenn er gelingt, könnten auch andere Länder profitieren – vorausgesetzt, sie verfügen über aktive Vulkane. Auf der Liste der potenziellen Nutznießer stehen etwa El Salvador, Kenia, die Philippinen oder Costa Rica, wo schon heute bis zu 20 Prozent der Elektrizität aus Erdwärme gewonnen wird. Allerdings müssen sie sich noch einige Jahre gedulden.