Fester Strom aus erneuerbaren Energien, schnelle Dekarbonisierung der (industriellen) Heizung - all dies sind Bereiche, in denen die Geothermie zunehmend als Lösung in Betracht gezogen wird. Dieser Artikel befasst sich mit den Herausforderungen der Geothermie, erläutert aktuelle und künftige Technologien und erklärt, warum die Branche vor einer raschen Expansion stehen könnte.
Geothermische Energie ist seit langem als eine erneuerbare und nicht schwankende Energiequelle bekannt. Theoretisch ist geothermische Energie zwar überall verfügbarDie Nutzung der Geothermie war in der Vergangenheit oft auf vulkanische Regionen beschränkt. Und obwohl geothermische Energie seit über einem Jahrhundert genutzt wird, wurden nur 0,1 GW an neuen Die Kapazität wurde 2022 erhöht.weit weniger als die über 300 GW an Wind- und Solarenergie, die eingesetzt werden. Heute gibt es ein erneutes Interesse an geothermischer Energie aufgrund des immer größeren Bedarfs an fester Elektrizität und der schnellen Dekarbonisierung von Fernwärme und industriellen Prozessen. Darüber hinaus geben die jüngsten erfolgreichen Neubauprojekte Anlass zu Optimismus, und mehrere bevorstehende Innovationen könnten Projekte schneller und kostengünstiger machen.
Arbeitsprinzip: Nutzbarmachung der Wärme der Erde
Bevor wir uns mit den aktuellen Innovationen im Bereich der Geothermie befassen, sollten wir einen Blick auf die physikalischen Grundlagen und die verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten der Geothermie werfen. Geothermische Kraftwerke entnehmen durch Bohrungen heißes Wasser aus dem tiefen Untergrund. Dieses Wasser kann zum Heizen oder zum Antrieb von Turbinen zur Stromerzeugung verwendet werden. Der nutzbare Strom und die Wärme nehmen mit der Tiefe zu, aber auch die Kosten für das Projekt. An den meisten Orten der Welt steigen die Temperaturen um etwa 30 °C pro Kilometer Tiefe; in vulkanischen Gebieten kann dieser Wert jedoch noch viel höher sein.
Quellentemperaturen unter ca. 60°C sind in der Regel zu niedrig, um Häuser direkt zu beheizen, und werden stattdessen für Wärmepumpen verwendet, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der Vorteil der Nutzung geothermischer Energie für Wärmepumpen gegenüber der Umgebungsluft besteht darin, dass die Pumpen bei höheren Eingangstemperaturen effizienter arbeiten. Dies wiederum senkt ihren Strombedarf, insbesondere in kalten Perioden, und verringert das Risiko einer "Winterstromlücke" (siehe dieser frühere Energie-Blog-Artikel).
Temperaturen zwischen 60°C und 100°C sind die typische Quelle für Fernwärmenetze. Wassertemperaturen zwischen 100°C und 360°C werden heute zur Stromerzeugung genutzt. Darüber hinaus ist in diesen Temperaturbereichen auch die Nutzung für industrielle Prozesswärme denkbar. Dieser Energie-Blog-Beitrag konzentriert sich auf die "tiefe" Geothermie mit Temperaturen von mindestens 60°C, da sie einen Beitrag zur Erzeugung von 100% erneuerbarem Strom und zur raschen Dekarbonisierung der Wärme in Haushalten und Industrie leisten kann.
Abbildung 1: Temperaturniveaus und Anwendungen von geothermischem Wasser. *Aktuelle technologische Grenze, nahe der kritischen Temperatur des Wassers.
Geologische Herausforderungen haben einen schnellen Ausbau der geothermischen Energie verhindert
Die Gründe für den langsamen Einsatz der Geothermie liegen vor allem in den Herausforderungen, die mit der hohen geologischen Variabilität verbunden sind. Kraftwerksprojekte hängen von den darunter liegenden Reservoiren ab. Je nach Standort kann es vorkommen, dass es keine Reservoirs gibt, dass sie nicht die ideale Temperatur haben oder dass sie schlecht erforscht sind. In jedem Fall müssen die Kraftwerke an ihre spezifischen Reservoirs angepasst werden, da im Wasser gelöste Stoffe wie Salze z. B. die Konstruktion und den Betrieb von Pumpen, Ventilen und Turbinen bestimmen. Letztlich, Geografische die Variabilität macht die Projekte risikoreichinsbesondere in unerschlossenen Gebieten, und führt zu sehr standortspezifischen Projektentwürfen. Diese Faktoren treiben die Projektkosten und Genehmigungszeiten in die Höhe und verhindern eine effiziente Verbesserung der Anlagenkonzepte.
Neue Technologien vereinfachen Projekte und können schnell erweitert werden
Für diejenigen, die hoffen, dass die Geothermie die genannten Herausforderungen mit technologischen Lösungen überwinden kann, gibt es zwei aufkommende Technologien (Mitte und rechts in Abbildung 2), die die Notwendigkeit der Anpassung von Anlagen verringern können und somit eine schnellere und globale Verbreitung der Geothermie versprechen.
Abbildung 2: Vergleich der grundlegenden Funktionsprinzipien von (links) konventionellen hydrothermalen geothermischen Systemen, (Mitte) Enhanced Geothermal System (EGS) und (rechts) Closed-Loop-Geothermie-Systemen.
Die erste Technologie ist bekannt als "Verbesserte geothermische Systeme" (EGS). Sie beruht auf der "Verbesserung" oder dem "Fracking" von Reservoiren durch die Erzeugung künstlicher Risse, z. B. durch Druck oder die Injektion von kaltem Wasser, Sand oder sauren Flüssigkeiten (Abbildung 2). Diese Methode verbessert die Ausbeute neuer und bestehender Projekte und ermöglicht die Nutzung geothermischer Energie an Orten, die bisher aufgrund unzureichender unterirdischer Wasservorkommen nicht für geothermische Systeme in Frage kamen. Allerdings, Projektrisiken in EGS bestehen nach wie vor, denn es ist nach wie vor schwierig vorherzusagen, wie durchlässig Reservoirs durch Anreicherung gemacht werden können. Noch wichtiger ist, dass die Anreicherung von Lagerstätten geologischen Druck im Untergrund freisetzen und möglicherweise sogar Erdbeben auslösen kann. Auch wenn die ausgelösten Erdbeben kann größere, natürliche Erdbeben verhindernEs ist verständlich, dass viele Anwohner EGS-Projekte in ihrer Nachbarschaft ablehnen, da in seismisch aktiven Regionen ein gewisses Restrisiko besteht. Gescheiterte experimentelle Projekte in der Vergangenheit und die schlechte Behandlung von Schäden, auch wenn der Schaden, wenn überhaupt, nur gering isthaben zu lokalem Widerstand gegen Projekte geführt. Deshalb, Experten sind der Meinung, dass EGS eine vielversprechende Technologie für seismisch inaktive oder dünn besiedelte Gebiete in absehbarer Zukunft ist.
Die zweite bestehende Technologie heißt "Geothermische Systeme im geschlossenen Kreislauf", auch bekannt als "fortgeschrittene geothermische Systeme (AGS)" oder "Hot Dry Rock". Closed-Loop-Systeme basieren auf gebohrten Wärmetauschern und sind nicht auf natürlich vorkommende, wassergefüllte Risse im Untergrund angewiesen (Abbildung 2). Die Bohrungen sind vollständig abgedichtet, und es gibt keinen direkten Kontakt des erhitzten Fluids mit dem Gestein, wodurch sich Closed-Loop-Systeme von hydrothermalen Systemen und EGS unterscheiden. Folglich entfallen die Herausforderungen anderer geothermischer Systeme, wie Schwankungen der Wassertemperatur, der Flüssigkeitsausbeute und Probleme mit gelösten Stoffen. Das Projektrisiko und die Komplexität werden reduziert. Schließlich würden sich die Projekte immer mehr ähneln, was wahrscheinlich ein schnelleres technologisches Learning-by-Doing ermöglicht. Außerdem könnten Projekte fast überall auf der Welt gebaut werden, was das radikale Potenzial geschlossener Kreislaufsysteme unterstreicht.
Trotz dieser vielversprechenden Aussichten stehen geschlossene Systeme vor zwei Herausforderungen, um wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu werden: Erstens ist die pro Projekt erforderliche Bohrstrecke etwa zehnmal höher als bei EGS, und zweitens ist die komplizierte Technologie erforderlich, um komplexe Bohrlochgeometrien tief im Untergrund zu bohren und zu stabilisieren. Dennoch, jüngste Ergebnisse aus einem Kreislaufprojekt in Deutschland scheinen vielversprechend. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kreislauftechnologie heute die schwierigste und kostspieligste Technologie ist, die jedoch das größte Potenzial für eine rasche und weltweite Verbreitung hat.
Neben EGS und Closed-Loop befinden sich mehrere andere geothermische Technologien in der Forschungs- oder Demonstrationsphase. Dazu gehören die Nutzung von Reservoiren für Energiespeicherung durch den Aufbau von Druck im Untergrund, Kopplung von geothermischer Energie und KohlenstoffspeicherungCo-Extraktion Lithium aus dem geothermischen Reservoir und die Erschließung von "superheißReservoirs". Diese Ideen müssen jedoch noch weiterentwickelt werden oder sind in ihrer geografischen Anwendbarkeit derzeit noch begrenzt.
Gestiegenes Interesse, technologischer Fortschritt und die jüngsten Erfolge stimmen optimistisch
Unabhängig von der Technologie ist eine das wiedererwachte Interesse an geothermischer Energie kann den Einsatz erhöhen um die Projektkosten zu senken. Die Gründe für das wachsende Interesse an geothermischer Energie sind das zunehmende Bewusstsein, dass eine vollständig dekarbonisierte Wirtschaft festen Strom und erneuerbare Wärme benötigt, Regierungsmandate zur Ausarbeitung von Plänen für dieseund die verstärkte Angst der Verbraucher vor künftigen Preisschocks bei fossilen Brennstoffen nach der Gaskrise von 2022. Die jüngsten Erfolge geben Anlass zu Optimismus. Zum Beispiel sind rund um München mehr als 20 geothermische Projekte jetzt erfolgreich in Betrieb. Das zunehmende Interesse an erneuerbarer Wärme veranlasste die Entwickler zum Bau eines Projekt mit dreimal so viel Leistung wie üblichund ermöglicht erhebliche Skaleneffekte und niedrigere Projektkosten.
Der Transfer von Wissen und Arbeitskräften aus der fossilen Industrie in die erneuerbaren Energien ist ein zusätzlicher Nutzen
Es überrascht nicht, dass viele der erwähnten geothermischen Technologien aus der Öl- und Gasindustrie stammen, darunter Messgeräte, Bohranlagen, Ventile und Pumpen. EGS und geschlossene Kreislaufsysteme basieren auf Technologien, die während des Schieferöl- und -gasbooms der letzten zwei Jahrzehnte entwickelt wurden. Viele Geothermie-Start-ups wurden von Fachleuten gegründet, die zuvor in der fossilen Industrie beschäftigt waren, und die fossile Industrie selbst finanziert derzeit einige der neuen Geothermieprojekte. Einige argumentieren dass die geothermische Energie nicht genutzt werden sollte, da sie der fossilen Industrie zugute kommt. Ich bin jedoch der Meinung, dass wir jedes Unternehmen begrüßen sollten, das erneuerbare Energien vorantreibt. Wenn wir den Unternehmen der fossilen Energiewirtschaft erlauben, Geothermie zu erforschen, würde dies die technologische Entwicklung unterstützen - ein positives Ergebnis für die Förderung der erneuerbaren Energien! Die Unternehmen und ihre Mitarbeiter halten wertvolles Wissen um die Energiewende zu verwirklichen. Die Nutzung des vorhandenen Wissens und die Schaffung neuer Arbeitsplätze für ehemalige Beschäftigte der Öl- und Gasindustrie schlägt meines Erachtens zwei Fliegen mit einer Klappe, indem sie die Arbeitslosigkeit vermeidet und politische Opposition bevor sie überhaupt auftaucht.
Gestiegenes Interesse, technologischer Fortschritt und die jüngsten Erfolge stimmen optimistisch
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das wiedererwachte Interesse und die neuen Technologien eine beschleunigte Einführung der geothermischen Energie ermöglichen können. Die derzeitige Technologie erfordert jedoch, dass die Projekte individuell an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Neue Technologien, insbesondere verbesserte geothermische Systeme und Systeme mit geschlossenem Kreislauf, können die geothermische Energie an mehr Standorten, mit einer höheren Ausbaurate und möglicherweise mit geringeren Kosten ermöglichen. Ein schnelles Lernen und ein schneller Einsatz der Geothermie sind entscheidend und dringend notwendig für eine vollständig dekarbonisierte Welt.
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