Geothermische Energie: eine saubere, wetterunabhängige und nachhaltige
Grundlastressource.

Die Zahl der Megastädte wird bis 2030 voraussichtlich von 33 auf 43 ansteigen. Megastädte sind für die Weltwirtschaft von entscheidender Bedeutung; ihr Ressourcenmanagement stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar. Der steigende Energiebedarf, der mit dem Bevölkerungswachstum und dem Klimawandel einhergeht, erfordert dringend Investitionen in nachhaltige Energien.

Geothermische Energie, eine saubere, wetterunabhängige Grundlastressource, könnte erheblich zur Deckung des Energiebedarfs, zur Verbesserung der Luftqualität und zur Dekarbonisierung der Megastädte der Welt beitragen. Regierungen und die Öffentlichkeit sollten unbedingt über die Vorteile der Geothermie aufgeklärt werden. Darüber hinaus sind diese energiepolitischen Maßnahmen in Verbindung mit Investitionen in Forschung und Entwicklung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Geothermie erfolgreich in den künftigen Energiemix integriert wird.

Weltweit leben mehr Menschen in Städten als auf dem Land.

2007 war das Jahr, in dem zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit der Anteil der in Städten lebenden Menschen den der auf dem Land lebenden Menschen überstieg. Die wachsende Bevölkerung in städtischen Gebieten führte zur Entstehung von Megastädten (mit mehr als 10 Millionen Einwohnern). Weltweit gibt es 33 Megastädte, aber es wird geschätzt, dass diese Zahl bis 2030 auf 43 ansteigen wird. Heute leben mehr als 50 % der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten, und es wird prognostiziert, dass dieser Anteil bis 2050 auf 68 % steigen wird. Die damit verbundenen Treibhausgasemissionen (THG) werden bis 2050 von 70 auf 80 % der weltweiten THG-Emissionen ansteigen.

Auf urbane Zentren entfallen 67-76 % des weltweiten Endenergieverbrauchs, wovon schätzungsweise 71-76 % auf fossile Brennstoffe entfallen. Bis 2050 könnte der Energiezuwachs für das Heizen und Kühlen von Gebäuden auf der Grundlage von Statistiken aus dem Jahr 2010 zwischen 7 und 40 % ansteigen. Die Auswirkungen der städtischen Wärmeinsel in Megastädten werden die mit der globalen Erwärmung verbundenen Probleme noch verstärken. Wichtig ist, dass Megastädte heute etwa 20 % des weltweiten Bruttoinlandsprodukts (BIP) erwirtschaften.

Megastädte stehen weltweit vor sechs gemeinsamen Herausforderungen: Verkehr, Elektrizität, Wasser, Abfall, Abwasserentsorgung und Sicherheit. Daher ist die Bedeutung von Megastädten klar, vor allem im Hinblick auf die Umweltprobleme und den Klimawandel auf globaler Ebene. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert eine sorgfältige Planung und Optimierung der wirtschaftlichen Ressourcen.

Sowohl der Energiebedarf als auch der Energieverbrauch werden parallel zum Bevölkerungswachstum steigen, so dass die Elektrizitätsversorgung und die Dekarbonisierung des Heiz- und Kühlbedarfs sowie die Luftqualität zu den größten Herausforderungen für die Zukunft der Megastädte gehören. Die meisten Megastädte befinden sich in weniger entwickelten Regionen, und viele dieser Regionen mit niedrigem BIP erleben ein dramatisches Wirtschaftswachstum.

Daher ist es unerlässlich, dass Nachhaltigkeit und Energieresistenz Teil der Entwicklungsstrategien für Megastädte sind. Trotz des technologischen Fortschritts ist die Nutzung nachhaltiger und umweltfreundlicherer Energieformen unterentwickelt. Es gibt vergleichende Bewertungen des Spitzen- und Jahresverbrauchs an elektrischer Kühl- und Heizenergie auf Stadtebene, einschließlich der Städte der OECD (Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung) und der Nicht-OECD-Mitgliedsstädte. Sie gehen davon aus, dass OECD-Städte bei der Kühlung einen Stromverbrauch von 35-90 W/°C/Kopf über der Raumtemperatur aufweisen. In tropischen/subtropischen Städten außerhalb der OECD wird angenommen, dass die derzeitige Nachfrage 2-9 W/°C/Kopf erreicht, was auf einen erheblichen Anstieg der temperaturabhängigen Stromnachfrage durch die Einführung von Klimaanlagen hinweist. Eine ähnliche Situation ist beim Heizen zu beobachten, wobei in subtropischen Städten elektrische Heizgeräte eingesetzt werden, was die Stromerzeugung und -versorgung erschwert.

Erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie gelten zwar als potenzielle Lieferanten für Megastädte und sind äußerst kosteneffiziente Stromquellen, doch sind sie auch mit einigen technischen Problemen verbunden. So können Windturbinen beispielsweise laut sein, beeinträchtigen gelegentlich die Umwelt, sind ein ästhetischer Schandfleck und sind wetterabhängig. Solarzellen, sofern sie nicht auf dem Dach eines Gebäudes installiert sind, benötigen viel Platz. Solarmodulparks erfordern nicht nur die Umwidmung von Land und die potenzielle Zerstörung von Wäldern, sondern sie können auch die Temperatur des umgebenden Bodens verändern, was sich auf einige Ökosysteme auswirkt.

Geothermie als erneuerbare Energie.

Im Gegensatz dazu wird die Geothermie nur selten in Betracht gezogen, obwohl mehrere Megastädte weltweit in Regionen mit einem anomal hohen geothermischen Gradienten liegen, insbesondere rund um den Feuerring, eine Plattengrenzzone mit hoher tektonischer und vulkanischer Aktivität, die den Pazifischen Ozean umgibt.

Die Vorteile der Geothermie gegenüber Wind- und Solarenergie bestehen darin, dass sie grundlastfähig ist, d. h. rund um die Uhr zur Verfügung steht, nicht von Tag-/Nachtzyklen und Wetterbedingungen abhängt und somit einen hohen Kapazitätsfaktor aufweist, der dem Netz Stabilität verleiht, und, was besonders wichtig ist, einen geringen Flächenbedarf hat.

Auch die Schweiz setzt weiter auf die Geothermie.

Nach den kleinen Erdbeben in Basel 2006 und St. Gallen 2013 wurde die Tiefengeothermie in der Schweiz intensiv diskutiert. Heute gibt es in verschiedenen Regionen der Schweiz neue Testinitiativen, die tief im Untergrund nach Energiequellen suchen.

Kann Energie aus dem Untergrund der Schweiz helfen, die ehrgeizigen Energie- und Klimaziele zu erreichen? Trotz Bedenken, dass Tiefenbohrungen Erdbeben auslösen könnten, treiben Schweizer Kantone und Städte eine Reihe von neuen Geothermieprojekten voran.

Im hochmodernen Bahnhof Lancy-Bachet im Zentrum von Genf warten die Reisenden auf den nächsten grenzüberschreitenden Regionalzug Léman Express. Das Licht ist gedämpft und die Waggons kommen langsam zum Stehen. Was die Reisenden nicht wissen: Die vom Zug und seinen quietschenden Bremsen erzeugte Wärme wird unter den Schienen und in den Tunnelwänden aufgefangen und zum Heizen und Kühlen der umliegenden Wohnungen und Büros genutzt.

Das System - derzeit ein Pilotprojekt - funktioniert dank Polyethylenrohren, die mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt sind und in einen 100 Meter langen Abschnitt des neuen Tunnels eingelassen sind. Diese Energiequelle ist an eine Wärmepumpe angeschlossen, die Wärme und Kälte erzeugen kann, die in das Fernwärmenetz eingespeist wird.

Es ist eines von mehreren innovativen Geothermieprojekten, die in der ganzen Schweiz entstehen, um die ehrgeizigen Energie- und Klimaziele zu erreichen. In Genf will die Regierung, dass neue Gebäude in Zukunft zu 80 % mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Und bis 2035 sollen 20 % des Wärmebedarfs des Kantons aus geothermischen Quellen stammen.

Das Projekt Lancy-Bachet - ein Schweizer Novum - reiht sich ein in Pionierprojekte wie Genilac - ein Wärmeaustauschprojekt, bei dem Wasser aus dem Genfersee zum Kühlen und Heizen von Gebäuden genutzt wird - und den Genfer Beitrag zum europäischen Projekt für unterirdische Wärmespeicherung, HeatStore. Bern und Zürich haben ähnliche Speichersysteme.

Auch in Genf wird die Suche nach geothermischer Energie im Untergrund fortgesetzt. Die Bundesbehörden haben kürzlich 27,5 Mio. CHF (30,4 Mio. $) zur Finanzierung von Bohrungen zur Verfügung gestellt. Ein Teil des Geldes wird für das Testgelände in Lully verwendet, wo Ingenieure 1.456 Meter unter der Erdoberfläche gebohrt haben. Das heiße Wasser, das dort aufsteigt, hat eine Temperatur von 53 Grad Celsius und einen vielversprechenden Druck, aber es hat eine schwache Fließgeschwindigkeit, sagen Experten - was bedeutet, dass es nicht heiß oder kräftig genug ist, um Strom zu erzeugen, aber es kann zum Heizen von Gebäuden verwendet werden.

Laut Gunter Siddiqi, Forscher beim Bundesamt für Energie, ist Genf in Sachen Wärmeenergie sehr zukunftsorientiert. "Es handelt sich um einen relativ kleinen, gut integrierten Stadtkanton mit guten Beziehungen zu den Energie- und Versorgungsunternehmen, die den Kanton versorgen. Es handelt sich um eine Kombination aus politischem Willen, unternehmerischem Geschick sowie Forschungs- und Innovationskompetenz", sagt er. Er weist darauf hin, dass die Bedingungen in jedem Kanton anders sind und es unklar ist, ob das Genfer Modell in anderen Kantonen der Schweiz übernommen werden kann.

Geothermische Wärme - eine Alternative zu fossilen Brennstoffen.

Gegenwärtig beschränken sich die geothermischen Aktivitäten auf die Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie hauptsächlich mit vertikalen Erdwärmetauschern, Grundwasserbrunnen, geothermischen Strukturen und heißen Tunneln. Diese werden normalerweise in Kombination mit einer Wärmepumpe zum Heizen - und in einigen Fällen auch zum Kühlen - verwendet.

Schweizweit nutzen fast 15% der Heizungsanlagen in Wohnungen, Büros und anderen Gebäuden solche Erdwärmepumpen. 2019 registrierte das Bundesamt für Energie 102'000 in Betrieb stehende Erdsonden, was die "weltweit höchste Konzentration pro Quadratkilometer" darstellt.

An acht Standorten wird das heisse Grundwasser auch direkt genutzt, so in den Thermalbädern Kreuzlingen, Lavey-les-Bains, Schinznach-Bad und Bassersdorf, in Gebäuden und Hotels in Weissbad, Weggis und Zürich sowie in einem Quartier in Riehen.

Thermalbäder von Lavey-les-Bains.

In den Thermalbädern von Lavey-les-Bains im Kanton Waadt wird heißes unterirdisches Wasser genutzt. Es wird ein Geothermieprojekt geprüft, um Strom für 900 Haushalte im Dorf zu erzeugen.

Insgesamt deckt die geothermische Wärmeerzeugung in geringer Tiefe nur 1,3 % des Wärmebedarfs des Landes. Doch die Technologien sind etabliert, und die Bundesbehörden sind im Rahmen der Energiestrategie 2050 von ihren Vorteilen und ihrem Potenzial überzeugt.

Elmar Grosse Ruse, Klimaexperte beim WWF Schweiz, ist optimistisch, was ihre weitere Entwicklung angeht. "Wir haben uns verpflichtet, in den nächsten zwei Jahrzehnten auf fossile Brennstoffe, Öl und Gas, zum Heizen zu verzichten, und das wird nur möglich sein, wenn wir in dicht besiedelten Gebieten viele Wärmepumpen einsetzen", sagte er.

Siddiqi rechnet in den kommenden Jahren auch mit einem breiteren Einsatz solcher Technologien. Er sagte, dass unterirdische Sonden über größere Tiefen gestaffelt werden könnten. Er betonte jedoch, dass sichere Abstände (10-12 Meter) zwischen ihnen eingehalten werden müssen, um einen "Spüleffekt" zwischen den Systemen zu vermeiden, die nach unterirdischer Wärme suchen.

Geothermischer Strom in der Schweiz – Rückschläge.

In der Schweiz wird derzeit jedoch kein Strom aus geothermischen Quellen erzeugt. Die Vereinigten Staaten sind derzeit weltweit führend in der geothermischen Stromerzeugung: Der Bundesstaat Kalifornien deckt etwa 5 % seines Strombedarfs auf diese Weise, und alle Nachbarländer der Schweiz produzieren geothermischen Strom.

Das Bundesamt für Energie (BFE) ist zuversichtlich, dass die Schweiz bald nachziehen wird. Es schätzt, dass bis 2050 7% des nationalen Stromverbrauchs durch geothermische Energie gedeckt werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, müsste ein geothermisches Kraftwerk mit Hilfe fortschrittlicher Techniken Wasser mit einer Temperatur von über 100 Grad Celsius aus 3.000 bis 4.000 Metern Tiefe fördern. Die Wissenschaftler wissen jedoch nur wenig über die geologischen Gegebenheiten in der Tiefe der Schweiz, und die Erkundungsphase von Geothermieprojekten ist teuer.

St. Galler Geothermieprojekt aufgegeben.

Ein Plan in der Ostschweiz, geothermischen Strom aus unterirdischer Wärme zu gewinnen, wurde gestrichen. Mehrere bereits lancierte Tiefbohrprojekte mussten Rückschläge hinnehmen. In den Jahren 2006 und 2013 injizierten Teams in Basel und St. Gallen eine unter Druck stehende Flüssigkeit in heißes, trockenes, undurchlässiges Gestein tief im Untergrund, um ein künstliches geothermisches Reservoir zu schaffen (sog. Enhanced Geothermal Systems, EGS). Als die Stimulationen jedoch kleinere Erdbeben auslösten, mussten die Pläne aufgegeben werden.  

Neue Initiativen in der Tiefe.

Heute laufen in verschiedenen Regionen der Schweiz neue Versuchsinitiativen, um im tiefen Untergrund nach Energiequellen zu suchen. Ein solches Projekt in Haute-Sorne im Kanton Jura sorgte im April für Schlagzeilen, als die Kantonsregierung ankündigte, dass sie die Bewilligung zurückziehen wolle. Dieser Schritt, der auf die Bedenken der lokalen Bevölkerung wegen der Risiken zurückgeht, hat bei den Befürwortern der Geothermie und bei der Schweizer Regierung große Bestürzung ausgelöst.

"Die Beendigung dieses Projekts wäre ein schwerer Schlag für andere geothermische Kraftwerksprojekte in der Schweiz und würde ein schlechtes Signal aussenden, insbesondere für Investoren, die an anderen Standorten interessiert sind", erklärte der Bundesrat diesen Monat.

Siddiqi räumt ein, dass die Schweiz im Vergleich zu anderen Ländern im Rückstand ist, wenn es um die geothermische Stromproduktion und das Wissen darüber geht, wo die besten Quellen zu finden sind. Er ist jedoch der Meinung, dass das Land keine andere Wahl hat, als weiter nach solchen Projekten zu suchen und in sie zu investieren, um seine Ziele im Bereich der erneuerbaren Energien zu erreichen.

Geothermische Energie zur Stromerzeugung in

Megastädten.

Strom aus geothermischen Erschließungen kann nicht nur den steigenden Energiebedarf von Megastädten decken, sondern auch zur Deckung des künftigen Energiebedarfs beitragen. Neben dem Wohnbereich gibt es auch andere industrielle Anwendungen, die Wärme aus geothermischen Kreisläufen nutzen können, wie die Landwirtschaft in Gewächshäusern, die Lebensmittelkonservierung, die Textilindustrie usw.

Geothermische Energie zur Stromerzeugung kann heute mit konventionellen, Hoch- und Niedertemperaturhydrothermalsystemen genutzt werden. Darüber hinaus gibt es mehrere laufende Forschungsprogramme, in denen die Möglichkeit superkritischer geothermischer Systeme untersucht wird, die die Leistungsdichte erheblich erhöhen.

Technische Konzepte wie Enhanced Geothermal Systems (EGS), bei denen das Gestein geklüftet wird, um die natürliche Durchlässigkeit zu erhöhen, erweitern das geothermische Nutzungspotenzial. Darüber hinaus eröffnen die aufkommenden fortschrittlichen (geschlossenen) geothermischen Systeme (AGS), wie sie oft genannt werden, das Konzept der geothermischen Wärme und Stromerzeugung potenziell für einen noch größeren geografischen Anwendungsbereich.

Die Nutzung geothermischer Energie, insbesondere EGS, bei der Frakturen in den Untergrund eingebracht werden, wird häufig als Ursache für induzierte Erdbeben angesehen. Frühere und aktuelle Studien zielen darauf ab, diese Befürchtungen durch detaillierte Forschungsarbeiten im Vorfeld der Bohrungen, einschließlich Spannungsfeldanalysen und -modellierung, zu entkräften; darüber hinaus erfordern die Projekte eine verstärkte Aufklärung der Öffentlichkeit.

Die Energienachfrage von Megastädten variiert je nach Entwicklungsstand. Die Indikatoren, die zur Bewertung des Verhältnisses zwischen dem Energieverbrauch eines Landes und seinem Entwicklungsstand verwendet werden, sind umstritten; eine geeignete Variable ist jedoch die weltweit verbrauchte Energie zur Herstellung der von diesem Land nachgefragten Güter und Dienstleistungen, d. h. sein Energie-Fußabdruck. Dadurch werden Megastädte als strategische Orte, an denen Waren produziert oder geliefert werden, eng mit dem Entwicklungsstand der Länder verknüpft, die sie beherbergen. Megastädte in Nordamerika, Europa und Japan verbrauchen im Durchschnitt pro Kopf mehr als 60 GJ (16,6 MWh) - und bis zu 100 GJ (27,7 MWh) z. B. in Los Angeles und New York. In einigen Megastädten können neue Initiativen zur Verbesserung der Luftqualität durch den verstärkten Einsatz von Elektrofahrzeugen die Nachfrage nach Elektrifizierung ebenfalls herausfordern.

Der Energiebedarf liegt in vielen Megastädten weltweit oft unter 20 GJ (5,5 MWh), vor allem weil zwei Drittel der Megastädte in Regionen mit warmem Klima liegen (37 % in den Subtropen, 37 % in den Tropen und 26 % in den gemäßigten Zonen). In den gemäßigten Klimazonen steigt der Energiebedarf in den kalten Monaten zum Heizen an.

Die meisten Städte müssen gekühlt werden, wobei die Energie für die Klimatisierung größtenteils aus Strom gewonnen wird und somit von der verfügbaren Kapazität der Stromerzeugung und dem bestehenden Netz abhängt. Die Auswirkungen der globalen Erwärmung in Verbindung mit saisonalen Schwankungen und dem UHI-Effekt können zu Energieengpässen führen, wenn die Infrastruktur/Planung nicht aktualisiert wird.

Allein die Auswirkungen des UHI-Effekts zeigen, dass die Temperaturen in den Städten heute schätzungsweise um 0,5 bis 4 °C über denen in unbewohnten Gebieten liegen können. Eine einfache Analyse zeigt, dass die Auswirkungen eines durchschnittlichen Temperaturanstiegs von 1,5 und 3,0 °C in einem Bruttoanstieg des Energieverbrauchs bestehen, der hauptsächlich für die Kühlung erforderlich ist, was zu einem geschätzten Anstieg des Energieverbrauchs um 14 und 22 % führt.

Megastädte könnten in einem Szenario der globalen Erwärmung einen dramatischen Anstieg des Kühlungsbedarfs erleben, was ein Problem für die Planung von Neubauten und Nachrüstungen darstellt. Künftige Gebäude müssen möglicherweise so gebaut werden, dass die Wärme draußen bleibt und nicht reinkommt.

Neben dem Energiebedarf kann der Klimawandel auch die Wasserversorgung belasten. In Megastädten in den Subtropen könnten die Niederschläge aufgrund veränderter Wettermuster geringer ausfallen als im Durchschnitt. Dies könnte sich auf die Wasserressourcen auswirken und den Zugang zu zukünftigen Wasservorräten durch Entsalzung oder Recycling von Abwasser erforderlich machen, was wiederum den zukünftigen Energiebedarf erhöht. Mindestens 19 der 30 aufgeführten Megastädte beziehen mehr als ein Drittel ihrer Wasserversorgung sowohl aus dem Umland als auch aus Oberflächengewässern.

Quelle 08/2022