Not so deep Heat – die zunehmende Rolle und Wettbewerbsfähigkeit der Geothermie im Wärmesektor

Bohranlage vor Ort in Schwerin, Deutschland (Quelle): Daldrup & Söhne AG)

Alexander Richter 6. April 2020

Flache – oder besser „flachere“ – Geothermie wird in einem interessanten Artikel des neuseeländischen Softwarehauses Seequent behandelt. Ein geowissenschaftlicher Softwareanbieter, Das Unternehmen hat eine interessante Position in der geothermischen Welt eingenommen, indem es auch die Erzählung darüber, was Geothermie zu bieten hat, vorangetrieben hat.

Dies geschah kürzlich in einem Artikel über „Not so deep Heat“, der im März 2020 veröffentlicht wurde. Bei der Beschreibung der flachen Geothermie – im Zusammenhang mit der tiefen Geothermie – bezieht sich der Artikel auf geothermische Ressourcen, die nicht so heiß sind und sich nicht in den Tiefen befinden, die wir für die Stromerzeugung aus heißen geothermischen Ressourcen benötigen. Traditionell haben wir über flache Geothermie wie in „oberflächennah“ für Geo-Austausch-System (Wärmepumpen, von wenigen Metern bis 50 / 100 Meter) gesprochen, während tiefe Geothermie (in Deutschland zur Unterscheidung verwendet) bezieht sich auf alles, was für heiße (oder zunehmend auch nicht so heiße) Temperaturen bohrt. Aber die Grenzen zwischen geothermischer Entwicklung zielen auf Reservoir-basierte Geothermie (im Wesentlichen die Wärme durch Wasser als Träger ableiten) und direkte Wärmeaustauschansätze, die alles von oberflächennahen bis zu super tiefen Systemen in Granit nutzen (Wärmeableitung durch ein Austauschsystem, das Wasser oder etwas anderes verwenden kann).

Die traditionelle Verwendung für Geothermie war die Erzeugung von elektrischer Energie, und das erfordert im Allgemeinen sehr Hochtemperaturflüssigkeiten, um die notwendigen Temperaturunterschiede zu liefern. Leider sind solche Anwendungen extrem geografisch eingeschränkt; Sie neigen nur dazu, in Gebieten zu arbeiten, in denen Vulkane oder sehr hohe / niedrige Temperaturen herrschen, z. B. in Neuseeland, Indonesien und Island.

Flache Geothermie kann mit einer viel kleineren und kostengünstigeren Bohranlage erreicht werden als Hochtemperatur-Geothermie. Es ist auch weniger umständlich und erfordert weniger komplexe und kostspielige Technologie.

Jeremy O’Brien: Global Director – Energy, Seequent

Aber was Geothermie auch bietet, ist die Fähigkeit, nur Wärme bereitzustellen. Das kann bei viel niedrigeren Temperaturen nützlich sein, und diese geothermische Niedertemperaturressource kann an viel mehr Orten gefunden werden, ohne so tief zu bohren. Obwohl dieser Ansatz möglicherweise nicht in der Lage ist, große Strommengen zu erzeugen, kann er eine wichtige Rolle dabei spielen, die Notwendigkeit der Stromerzeugung aus einer anderen Quelle zu verdrängen.

„Der größte Wert der flachen Geothermie besteht darin, dass sie die Grundlastenergie ersetzt“, sagt Jeremy O’Brien, Energy Business Manager von Seequent. „Rund 40% der gesamten in Europa verbrauchten Energie wird zum Heizen und Kühlen verwendet, wenn Sie also die Hälfte dieser 40% durch Bohren einiger Löcher in den Boden gewinnen könnten, ist das ein enormer Vorteil.“

Geothermie bietet auch einen besonderen Vorteil gegenüber anderen erneuerbaren Quellen. Es ist immer da. „Wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht, funktioniert es immer noch. Es ist 24/7 saubere Energie und es geht nicht weg.“

Die Grundlast ist ein wichtiges Ziel für die Emissionskontrolle

Ein Großteil der Grundlastenergie, auf die unsere Gesellschaft angewiesen ist, stammt in der Vergangenheit aus der Kohle- oder Gaserzeugung, und dies sind die Quellen, die derzeit durch CO2-Vereinbarungen eingeschränkt werden. (Im Jahr 2020 ist der weltweite Verbrauch von Kohlestrom nach vier Jahrzehnten fast ununterbrochenen Wachstums auf dem besten Weg zu seinem größten jemals verzeichneten jährlichen Rückgang.)

Solar- und Windenergie spielen zwar auch eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung unserer CO2-Emissionen, konzentrieren sich jedoch in der Regel nicht auf den reinen Ersatz der Grundlast. Flache Geothermie benötigt keine Batterie, um die erzeugte Energie zu speichern. Es sitzt nur da im Boden und wartet darauf, angezapft zu werden. Der Fußabdruck einer geothermischen Anlage wird in der Regel auch viel kleiner sein als der einer Solaranlage oder eines Windparks, da das ganze schwere Heben unter der Erde stattfindet.

All dies bedeutet, dass flache Geothermie – insbesondere Wärmepumpenanwendungen – die Fähigkeit hat, sehr lokal zu sein. (Ein gutes Beispiel ist der Trend, dass Supermärkte Wärme unter ihren eigenen Geschäften entziehen und Wärmetauscher verwenden, um ihre Kühlleistung auszugleichen.) Oder es kann stadtweit sein. Kopenhagen ist eine von mehreren europäischen Städten, die das Potenzial der flachen Geothermie zur Unterstützung der Fernwärme für die Bewohner erkunden.

„Oft sucht man nur nach Temperaturen im Bereich von 50 bis 80 Grad Celsius“, sagt Jeremy O’Brien, „aber in vielen Fällen ist das alles, was man für den Grundlastaustausch braucht.“ Die Idee ist auch nicht wirklich neu. „Viele Menschen wissen nicht, dass Paris seit den 1970er Jahren Erdwärme hat …“

Unten in den nicht so Tiefen

Wie tief ist flach? „Ich nehme an, in unserer Sprache würden wir etwas weniger als 1.000 Meter sagen, während im normalen geothermischen Sinne die durchschnittliche Tiefe eines Brunnens 2.000 Meter betragen würde.

„Wichtig ist, dass alles innerhalb dieser 1000 Meter der Oberfläche mit einer viel kleineren und kostengünstigeren Bohranlage erreicht werden kann als bei Hochtemperatur-Geothermie. Es ist auch weniger umständlich und erfordert weniger komplexe und kostspielige Technologie.“

Und in vielen Fällen können einfache Wärmepumpen bei weit weniger effektiv sein. Die Londoner Tate Modern Gallery entschied sich für eine geothermische Lösung, die nur fünf Meter bis zu einem Flussbett aus Kies reicht. Es nutzt das Bohrloch, um einen Teil des Heizbedarfs des Gebäudes im Winter und den Kühlbedarf im Sommer zu decken und die unschätzbare Sammlung von Picassos, Dalis, Rothkos und mehr auf bequemen (und international geforderten) 18 bis 25 Grad zu halten.

Auch in Großbritannien untersuchen Forscher, wie das Erbe der verlassenen Kohleminen des Landes genutzt werden könnte, um ein zweites Leben der Wärmeerzeugung zu schaffen – diesmal unter Verwendung der leicht erhöhten Temperaturen (um 30 Grad) der kilometerlangen leeren Hohlräume, die dort in der Erde sitzen.

Wie sich das flache geothermische Potenzial offenbart

Ein Schlüssel zur Herstellung flacher geothermischer Arbeiten besteht darin, die bestimmten Formationen und stratigraphischen Einheiten zu lokalisieren, in denen sich Flüssigkeiten mit guter Temperatur befinden und die effektiv eingesetzt werden können. Umfragen könnten seismische, gravitative und magnetische tellurische Daten enthalten, aber es kann von unschätzbarem Wert sein, dies mit dem zu verbinden, was bereits über den Standort bekannt ist, betont Jeremy O’Brien.

„Gibt es alte Öl- und Gasexplorationsbohrungen oder vielleicht alte Grundwasserbrunnen, bei denen die Daten in die Geophysik integriert werden können? Was sind die Durchflussraten aus den vorhandenen Brunnen? Was sagt Ihnen das über die Gebiete aus, die am interessantesten zu erkunden sind? Wo sind die höchsten Temperaturen und wie ist die Geologie?“

Gute Detektivarbeit kann viele Formen annehmen. Zum Beispiel zeigt eine Google Earth-Tour durch Almeria im Südosten Spaniens eine glitzernde Landschaft von Gewächshäusern, die fast die gesamte Halbinsel bedecken. Es ist die größte Sammlung in Europa. Bei der Suche nach Gebieten mit hohem geothermischen Potenzial argumentierten die Forscher, dass die Bauern vielleicht etwas wussten, was sie nicht wussten

„Nur im Landesinneren sieht man die Verwerfungslinien, die durch die Topographie verlaufen, und die Bauern bohrten in diesen Hügeln nach Wasser. Die Verwerfung kanalisiert Flüssigkeiten tief nach unten und wieder nach oben in einer sehr effizienten Weise, so dass sie im Verhältnis zu gutartigem Grundwasser heiß werden. Es war nicht gut für die Pflanzen, da es zu viele Salze aufgenommen hatte, aber für die Geothermie war es ideal ….“

FALLSTUDIE – Bewertung des flachen geothermischen Potenzials in städtischen Gebieten; Katalonien, Spanien

Die europäischen städtischen Gebiete dekarbonisieren und der Energiemarkt verlagert sich hin zu erneuerbaren Energien. Die Popularität der flachen Geothermie wächst. Das spanische Katalonien ist eine Region, die die Möglichkeiten untersucht, und ist eine Fallstudie für das MUSE-Projekt (Managing Urban Shallow-geothermal Energy). Das Stadtgebiet von Girona wurde als erstes Pilotgebiet ausgewählt – nicht ohne Herausforderungen.

Es sind die thermischen Eigenschaften des Untergrunds, die bestimmen, wie viel Energie über Wärmetauscher gewonnen werden kann, und um Girona herum sind die geologischen und hydrogeologischen Eigenschaften jeder stratigraphischen Einheit komplex und variieren erheblich. Ein detailliertes 3D-Modell war erforderlich, und die Leapfrog-Software wurde verwendet, um dieses Modell aus allen verfügbaren Daten vorzubereiten, was erheblich war.

Insgesamt rund 1400 Bohrlöcher, 4 geologische Karten im Maßstab 1:25000, 5 geologische Karten im Maßstab 1:5000, 2 hydrogeologische Karten im Maßstab 1:25000 und eine Fülle von geophysikalischen Daten wurden verwendet, um ein detailliertes geologisches Modell eines 10 km breiten, 9 km langen und 300 m tiefen Gebiets zu erstellen. Ein Gesamtmodellvolumen von 29km3. Die durchschnittlichen Grundwassertemperaturen wurden ebenfalls überwacht.

Um die Untergrundgeologie bestmöglich interpretieren und darstellen zu können, war es notwendig, ein Basismodell zu erstellen, das die paläogen-paläozoischen, neogenen und quartären Perioden definiert. Tatsächlich wurden insgesamt 31 geologische Einheiten zwischen Ordovizium und Quartär modelliert. Der Schwerpunkt lag auf der Bestimmung der Tiefe und der räumlichen Ausdehnung des La Selva-Sedimentbeckens in Girona (die Sedimentfüllung des Beckens ist wahrscheinlich das Hauptmedium für die Nutzung geothermischer Ressourcen). Die Forschung ist im Gange und wird letztendlich zum GeoEnergy SGE-Projekt beitragen, das eine Plattform zur Bewertung des geothermischen Potenzials auf regionaler und lokaler Ebene bietet und Girona bei der Entscheidung hilft, welche Gebiete für die Installation von Heizsystemen mit offenem und geschlossenem Kreislauf am besten geeignet sind.

Mit Leapfrog der Hitze nachjagen

Zunehmend versuchen Regierungen, alle Daten, die sie in Gebieten wie Almeria gesammelt haben, zu überprüfen und zu sichten, wo sie vermuten, dass es nutzbare Wärmegradienten aufgrund von Fehlern oder unter Druck stehenden sedimentären Grundwasserleitern usw. geben könnte.

„Ich denke, Leapfrog kann einen echten Beitrag dazu leisten“, meint Jeremy O’Brien. „Es ist ein sehr intuitives Tool, um all diese verschiedenen Datensätze an einem Ort zu kombinieren. Sie können ein Bild des Untergrunds erstellen, das potenzielle Stellen identifiziert, die sonst möglicherweise nicht sichtbar wären.

„Wenn Sie ein Projekt starten, haben Sie möglicherweise einen alten geologischen Querschnitt, der eine riesige Region abdeckt, und Sie müssen alle diese Daten an einem Ort integrieren. Leapfrog kann das enorm beschleunigen, schnell ein Bild erstellen und Visualisierungen generieren. Im Vergleich dazu kann es Tage dauern, Temperaturkonturen explizit von Hand oder mit einem anderen Paket zu zeichnen.

„Das schnelle Screening vieler Daten macht es zu einem leistungsstarken Werkzeug zur Identifizierung von Gebieten mit Potenzial für flache Geothermie. Sobald die Bohrkampagne geplant ist, können die neuen Daten eingegeben werden, um das Modell zu aktualisieren und zu zeigen, was im Untergrund passiert. Da sich Leapfrog mit anderer Simulationssoftware verbindet, können Sie auch den Wasserfluss im Boden oder Temperaturänderungen betrachten. Die Software kann Teams anleiten, wo Bohrungen durchgeführt werden sollen, und dann helfen, die Ressource im Laufe der Zeit zu verstehen und zu verwalten.

„Es bedeutet, dass Leapfrog ein Projekt von Anfang bis Ende entlang der gesamten Wertschöpfungskette unterstützen kann.“