Sonne, Mond und Wasserstoff

Die Forschungsgruppe von Martin Saar an der ETH Zürich hat einen Simulator entwickelt, der so genau wie nie zuvor berechnet, wo sich Geothermie­projekte finanziell lohnen könnten. Zudem machen sich die Forschenden einer aufregenden Hypothese auf die Spur: Könnten die Gezeiten­kräfte zur Bildung von Wasser­stoff in der Erde führen?

Wer Energie aus dem Erdinneren nutzen möchte, muss nicht nur geo­thermische Reservoire finden. Es gilt auch abzuschätzen, ob sich die kost­spieligen Bohr- und Förder­arbeiten lohnen werden. Die von Martin Saar geleitete Forschungs­gruppe für Geothermische Energie und Geo­fluide (GEG) an der ETH Zürich ist spezialisiert auf solche Unter­suchungen. Sie hat in den letzten Jahren einen Simulator entwickelt, der solche techno-ökonomische Abklärungen auf ein neues Niveau hebt.

Der neue Simulator namens TANGO (für: Techno-­economic ANalysis of Geoenergy Operations) wurde im Herbst am Europäischen Geothermie-­Kongress in Zürich der Forschungs­gemeinschaft erstmals vorgestellt. «Wir können mit TANGO tausende Simu­lationen von verschiedenen Reservoiren, Bohr­löchern, Kraft­werken und Optimierungs­routinen durchführen», sagt Martin Saar. «So ermitteln wir, an welchen geolo­gischen Stand­orten und unter welchen Konfi­gurationen welche Art von Geothermie­kraftwerk künftig mit anderen Energie­formen wettbewerbs­fähig sein kann.»

Ein wichtiger Anwendungs­fall für den Simulator ist das CPG-Konsortium. Gemeinsam mit Firmen wie Shell, Petrobras, Holcim und Ad Terra Energy untersucht Saars Team dabei, ob sich bestehende Reservoire für eine neuartige, innovative Kombination aus CO₂-Speicherung und geothermischer Energie­produktion nutzen lassen. Wirt­schaft­lichkeits-­Unter­suchungen sind bei dem Gross­vorhaben entscheidend. Die erste Phase des Projekts sei inzwischen abge­schlossen, erzählt Saar. Nun gehe es in der nächsten Phase unter anderem darum, ein geeignetes Reser­voir zu bestimmen, um ein Demonstrations­projekt durchzuführen.

Einzigartiges MRI-Gerät

Gleichzeitig nehmen jene Projekte Fahrt auf, die Saars Gruppe im Rahmen der 2024 gestarteten neuen WSS-Förder­phase geplant hat. Herz­stück der neuen Förder­phase ist ein welt­weit einzigartiger, spezial­angefertigter Multi­nuklid-Magnet­resonanz­tomograf (MRI). Mit diesem Gerät können die Forschenden in den kommenden Jahren in Gesteins-­Modellen geo­logische und geo­thermische Unter­suchungen durchführen, die bislang nicht möglich waren.

Adam Altenhof, ein Experte in MRI-Technik in Saars Team, hat in den letzten Monaten das Design und die Spezifi­kationen des neuartigen Geräts erarbeitet, das nun von einer US-Firma speziell ange­fertigt wird. Der Tomo­graf wird mit drei Tonnen zwar für ein solches Gerät relativ leicht­gewichtig sein. Trotzdem bewegt es sich in einer Grössen- und Gewichts­klasse, die Anpassungen der Labor­räumlich­keiten notwendig macht. «Wir haben mit Ingenieuren, Architekten, Statikern und Elektrikern ein Drei­viertel-­Jahr lang daran gearbeitet, die Umbau­genehmigung der ETH Zürich zu erhalten», erzählt Saar.

Wasserstoff im Gestein

Derweil haben sich die Forschen­den bereits Förder­gelder für erste spannende Projekte mit dem MRI gesichert. In einem, finanziert durch das Centre for Origin and Prevalence of Life (COPL) der ETH Zürich, werden Saar und sein Team die Ent­stehung von natürlichem Wasser­stoff in der Erd­kruste untersuchen. Lange Zeit ging man davon aus, dass es keine natürlichen Wasser­stoff­reservoirs in der Erde gibt – zu flüchtig und zu reaktiv ist das Gas. «Inzwischen weiss man, dass solche Vor­kommen existieren, aber wo und unter welchen Umständen sie entstehen, ist noch unklar», sagt Martin Saar.

Radikale spalten Wasser

Es gibt unter­schiedliche Theorien, und eine davon werden die Forschenden im MRI unter die Lupe nehmen: Demnach könnten Festland­gezeiten – also periodische Verfor­mungen der festen Erd­kruste, die durch die Anziehungs­kräfte des Mondes und der Sonne verursacht werden – oder tekto­nische Prozesse in der Erde und in anderen Himmels­körpern, die das Gestein brechen, für die Bildung natürlichen Wasser­stoffs sorgen.

Durch das Brechen von Silikat­gesteinen entstehen freie Radikale. Freie Radikale sind Moleküle mit einem unge­paarten Elektron. Treffen sie auf Wasser, können sie es in Wasser­stoff und Sauer­stoff spalten. «Diese beiden Moleküle gelten als Schlüssel­stoffe, damit auf einem Planeten Leben entstehen kann», sagt Saar.

Der neue Magnetresonanz­tomograf ist perfekt geeignet, um solche Vorgänge zu erforschen. Denn er ist nicht nur in der Lage, alle an den Reak­tionen beteiligten Atome und Mole­küle nachzuweisen, sondern sogar die Radi­kale – und das in 3D. «Im MRI setzen wir Gesteins­proben Drücken und Tempera­turen aus, wie sie in der Erd­kruste herrschen, und brechen sie», erklärt Saar. «Gleich­zeitig durch­strömen wir die dann leicht durch­lässigen Gesteine mit Wasser und können sowohl die gebildeten Radikale als auch die Umwandlung des Wassers in Wasser­stoff und Sauer­stoff in 3D über die Zeit visuali­sieren.»

Das Projekt wird nicht nur zu ent­schlüsseln helfen, wie natür­licher Wasser­stoff in der Erd­kruste entsteht und wie sich diese emissions­freie Energie­ressource am besten nutzen lässt. Es zeigt auch beispiel­haft auf, welche aufregenden Fragen die GEG-Gruppe künftig mit ihrem neuen, einzig­artigen Tomo­grafen untersuchen kann.