Das MIT-Spinout Quaise Energy arbeitet daran, geothermische Brunnen aus den tiefsten Löchern der Welt zu schaffen.
Es gibt ein verlassenes Kohlekraftwerk im Bundesstaat New York, das die meisten Menschen als nutzloses Relikt betrachten. Aber Paul Woskov vom MIT sieht die Dinge anders.
Woskov, ein Forschungsingenieur im Plasma Science and Fusion Center des MIT, stellt fest, dass die Leistungsturbine der Anlage noch intakt ist und die Übertragungsleitungen immer noch zum Netz führen. Mit einem Ansatz, an dem er in den letzten 14 Jahren gearbeitet hat, hofft er, dass es innerhalb des Jahrzehnts wieder vollständig kohlenstofffrei online gehen wird.
Tatsächlich glaubt Quaise Energy, das Unternehmen, das Woskovs Arbeit kommerzialisiert, dass, wenn es ein Kraftwerk nachrüsten kann, das gleiche Verfahren in praktisch jedem Kohle- und Gaskraftwerk der Welt funktionieren wird.
Quaise hofft, diese hochgesteckten Ziele zu erreichen, indem es die Energiequelle unter unseren Füßen anzapft. Das Unternehmen plant, genug Gestein zu verdampfen, um die tiefsten Löcher der Welt zu schaffen und geothermische Energie in einem Ausmaß zu gewinnen, das den menschlichen Energieverbrauch für Millionen von Jahren decken könnte. Sie haben noch nicht alle damit verbundenen technischen Herausforderungen gelöst, aber die Gründer von Quaise haben sich einen ehrgeizigen Zeitplan gesetzt, um bis 2026 mit der Energiegewinnung aus einer Pilotbohrung zu beginnen.
Der Plan wäre leichter als unrealistisch abzutun, wenn er auf einer neuen und unbewiesenen Technologie basieren würde. Aber im Mittelpunkt der Bohrsysteme von Quaise steht ein Mikrowellen emittierendes Gerät namens Gyrotron, das seit Jahrzehnten in der Forschung und Fertigung eingesetzt wird.
„Dies wird schnell geschehen, sobald wir die unmittelbaren technischen Probleme der Übertragung eines sauberen Strahls und des störungsfreien Betriebs mit hoher Energiedichte gelöst haben“, erklärt Woskov, der nicht formell mit Quaise verbunden ist, aber als Berater fungiert. „Es wird schnell gehen, weil die zugrunde liegende Technologie, Gyrotrons, im Handel erhältlich ist. Sie könnten bei einem Unternehmen eine Bestellung aufgeben und sofort ein System liefern lassen – zugegeben, diese Strahlquellen wurden noch nie rund um die Uhr verwendet, aber sie sind für einen langen Betrieb ausgelegt. Ich denke, in fünf oder sechs Jahren werden wir eine Anlage am Laufen haben, wenn wir diese technischen Probleme lösen. Ich bin sehr optimistisch.“
Woskov und viele andere Forscher verwenden seit Jahrzehnten Gyrotrons, um Material in Kernfusionsexperimenten zu erhitzen. Es dauerte jedoch bis 2008, nachdem die MIT Energy Initiative (MITEI) veröffentlicht wurde eine Anfrage für Vorschläge zu neuen geothermischen Bohrtechnologien, dass Woskov an den Einsatz von Gyrotrons für eine neue Anwendung dachte.
„[Gyrotrons] wurden in der allgemeinen Wissenschaftsgemeinschaft nicht gut publiziert, aber diejenigen von uns in der Fusionsforschung verstanden, dass sie sehr starke Strahlquellen waren – wie Laser, aber in einem anderen Frequenzbereich“, sagt Woskov. „Ich dachte, warum nicht diese Hochleistungsstrahlen statt in ein Fusionsplasma direkt in das Gestein leiten und das Loch verdampfen lassen?“
Da der Strom aus anderen erneuerbaren Energiequellen in den letzten Jahrzehnten explodiert ist, hat die geothermische Energie ein Plateau erreicht, hauptsächlich weil geothermische Anlagen nur an Orten existieren, an denen die natürlichen Bedingungen eine Energiegewinnung in relativ geringen Tiefen von bis zu 400 Fuß unter der Erdoberfläche ermöglichen. Ab einem bestimmten Punkt wird herkömmliches Bohren unpraktisch, da tiefere Krusten sowohl heißer als auch härter sind, was mechanische Bohrer abnutzt.
Woskovs Idee, Gestein mit Gyrotronstrahlen zu verdampfen, schickte ihn auf eine Forschungsreise, die nie wirklich aufhörte. Mit etwas Geld vom MITEI begann er mit der Durchführung von Tests und füllte sein Büro schnell mit kleinen Felsformationen, die er mit Millimeterwellen von einem kleinen Gyrotron im Plasma Science and Fusion Center des MIT gesprengt hatte.
Um 2018 erregten Woskovs Felsen die Aufmerksamkeit von Carlos Araque ’01, SM ’02, der seine Karriere in der Öl- und Gasindustrie verbracht hatte und zu dieser Zeit technischer Direktor des MIT-Investmentfonds The Engine war.
In diesem Jahr gründeten Araque und Matt Houde, die mit dem Geothermieunternehmen AltaRock Energy zusammengearbeitet hatten, Quaise. Quaise erhielt bald vom Energieministerium ein Stipendium, um Woskovs Experimente mit einem größeren Gyrotron zu erweitern.
Mit der größeren Maschine hofft das Team, ein Loch zu verdampfen, das zehnmal so tief ist wie bei Woskovs Laborexperimenten. Das soll bis Ende dieses Jahres geschehen. Danach wird das Team ein Loch verdampfen, das zehnmal so tief ist wie das vorherige – was Houde ein 100-zu-1-Loch nennt.
“Das ist etwas [the DOE] ist besonders interessiert, weil sie die Herausforderungen angehen wollen, die der Materialabtrag über diese größeren Längen mit sich bringt – mit anderen Worten, können wir zeigen, dass wir die Gesteinsdämpfe vollständig ausspülen?“ Houde erklärt. „Wir glauben, dass der 100-zu-1-Test uns auch das Selbstvertrauen gibt, hinauszugehen und einen Prototyp einer Gyrotron-Bohranlage im Feld für die ersten Felddemonstrationen zu mobilisieren.“
Die Tests auf dem 100-zu-1-Loch sollen irgendwann im nächsten Jahr abgeschlossen werden. Quaise hofft auch, Ende nächsten Jahres mit der Verdampfung von Gestein in Feldversuchen beginnen zu können. Die kurze Zeitachse spiegelt die Fortschritte wider, die Woskov in seinem Labor bereits gemacht hat.
Obwohl mehr technische Forschung erforderlich ist, erwartet das Team letztendlich, diese geothermischen Quellen sicher bohren und betreiben zu können. „Wir glauben, dass aufgrund von Pauls Arbeit am MIT in den letzten zehn Jahren die meisten, wenn nicht alle Kernfragen der Physik beantwortet und angegangen wurden“, sagt Houde. „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 eher darum, einige der eher technischen und Kostenüberlegungen zu überwinden, um dies in großem Maßstab zum Laufen zu bringen.“
Das Unternehmen plant, bis 2026 mit der Gewinnung von Energie aus geothermischen Pilotbohrungen zu beginnen, die Gesteinstemperaturen von bis zu 500 °C erreichen. Von dort aus hofft das Team, Kohle- und Erdgaskraftwerke mit seinem System umzufunktionieren.
„Wir glauben, dass wir, wenn wir bis zu 20 Kilometer tief bohren können, an mehr als 90 Prozent der Orte auf der ganzen Welt auf diese superheißen Temperaturen zugreifen können“, sagt Houde.
Die Arbeit von Quaise mit dem DOE befasst sich mit den aus seiner Sicht größten verbleibenden Fragen beim Bohren von Löchern mit beispielloser Tiefe und Druck, wie z. B. Materialentfernung und Bestimmung der besten Verrohrung, um das Loch stabil und offen zu halten. Für das letztere Problem der Bohrlochstabilität ist Houde der Ansicht, dass zusätzliche Computermodellierung erforderlich ist, und erwartet, diese Modellierung bis Ende 2024 abzuschließen.
Durch das Bohren der Löcher in bestehenden Kraftwerken kann Quaise schneller vorankommen, als wenn es Genehmigungen zum Bau neuer Kraftwerke und Übertragungsleitungen einholen müsste. Und indem es seine Millimeterwellen-Bohrgeräte mit der bestehenden globalen Flotte von Bohrgeräten kompatibel macht, wird es dem Unternehmen auch ermöglicht, die globale Belegschaft der Öl- und Gasindustrie zu erschließen.
„Bei diesen hohen Temperaturen [we’re accessing], produzieren wir Dampf sehr nahe an der Temperatur, mit der heutige Kohle- und Gaskraftwerke arbeiten, wenn nicht sogar darüber hinaus“, sagt Houde. „Wir können also zu bestehenden Kraftwerken gehen und sagen: ‚Wir können 95 bis 100 Prozent Ihres Kohleverbrauchs ersetzen, indem wir ein geothermisches Feld entwickeln und Dampf aus der Erde erzeugen, bei der gleichen Temperatur, bei der Sie Kohle verbrennen, um Ihre Turbine zu betreiben , die CO2-Emissionen direkt ersetzen.“
Die Umgestaltung der Energiesysteme der Welt in einem so kurzen Zeitrahmen ist etwas, was die Gründer als entscheidend ansehen, um dazu beizutragen, die katastrophalsten Szenarien der globalen Erwärmung zu vermeiden.
„In den letzten zehn Jahren gab es enorme Fortschritte bei den erneuerbaren Energien, aber im Großen und Ganzen gehen wir heute nicht annähernd schnell genug voran, um die Meilensteine zu erreichen, die wir brauchen, um die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels zu begrenzen“, sagt Houde. „[Deep geothermal] ist eine Energieressource, die überall skaliert werden kann und die Fähigkeit hat, eine große Belegschaft in der Energiebranche zu erschließen, um ihre Fähigkeiten für eine völlig kohlenstofffreie Energiequelle neu zu verpacken.“
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