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ich stimme dem marktblickwinkel durchaus zu denn "...anreize für technologische weiterentwicklungen..." müssen (großteils) aus dem markt kommen. der markt weiss was er braucht um mehr und erfolgreichere projekte zu machen, da jeder marktteilnehmer weiss wo seine kunden der schuh drückt und welche hemmnisse und wünsche tatsächlich bestehen.
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P33
Ziel 2.5: Weiterentwicklung von Bohrtechnologien und damit Verringerung der Bohrkosten sowie der spezifischen Gestehungskosten
Die Errichtung von Tiefbohranlagen (mindestens zwei) stellen weiterhin die größte Kostenkomponente in der Nutzung der tiefen Geothermie dar. Zudem ist der Erfolg eines geothermischen Projekts erst dann nachgewiesen, wenn diese Kosten angefallen sind. Die Tiefbohrtechnologie war in den letzten Jahrzehnten auf die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen ausgerichtet. Aufgrund deren höheren Rendite war der ökonomische Optimierungsdruck auf die Tiefbohrtechnologie bislang noch nicht so stark. Durch das Phase-out der fossilen Onshore-Energierohstofferkundung in Europa ergeben sich neue Gelegenheiten und Herausforderungen hin zu kostengünstigen Tiefbohrungen in der Geothermie. Neue, innovative Bohrkonzepte sollen helfen, den Bohrfortschritt zu erhöhen, hohe Förderraten zu gewährleisten sowie ein sicheres, umweltfreundliches und emissionsarmes Bohren im urbanen Gebieten zu ermöglichen. Neben der Reduktion von Erschließungskosten sollen die spezifischen Energiegestehungskosten auch durch Steigerung der Anlagenauslastung (Erhöhung des Kapazitätsfaktors) reduziert werden. Mit Hilfe optimierter Anwendungsschemen in bi- und multivalenten Versorgungskonzepten (siehe auch Ziel 2.2 sowie 2.5) soll ein möglichst homogener Bandlastbetrieb bzw. KWK Wechselbetrieb (saisonal variierende Schwerpunkte auf Wärme- und Stromgewinnung) geothermischer Anlagen gewährleistet werden. Zur Erreichung dieser Zielsetzung wird vermutlich auch vermehrt auf großvolumige Speicher (siehe Zielachse 3) zurückgegriffen werden müssen.
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P34
Ziel 2.6: Verbesserung der Systemintegration der Tiefen Geothermie, effiziente geothermische Kraft-Wärme-Kopplung
Die Anwendung der Tiefen Geothermie findet in Österreich bislang vorrangig zur Versorgung kleinerer Nahwärmenetze (mittlere Leistung geothermischer Anlagen ca. 9,6 MW), oft in Kombination mit einer stofflichen Nutzung der Thermalwässer in Bädern statt. Seit den frühen 2000er Jahren wird auch elektrische Energie an zwei Standorten in geringem Umfang (Leistung < 1 MWel) produziert. Seit 2016 existiert in Österreich auch eine landwirtschaftliche Anwendung der Tiefen Geothermie. Um den Ausbau der Tiefen Geothermie in Österreich zu forcieren, gilt es, Wege und Möglichkeiten zu identifizieren das Anwendungsspektrum zu erweitern. Besonderes Augenmerk soll hierbei auf den Einsatz in größeren Wärmenetzen, speziell in österreichischen Ballungsräumen sowie auf den verstärkten Einsatz in industriellen und landwirtschaftlichen Prozessen gelegt werden. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Substitution fossiler Energieträger in Bestandsanlagen sowie die Kopplung mit anderen Erneuerbaren in multivalenten Anwendungen auf Temperaturniveaus zwischen 60°C und bis zu 150°C. Das Ziel Systemintegration umfasst auch die verbesserte Anwendung geothermischer Kraft-Wärme-Kopplung mittels binärer Verstromungsprozesse, um nicht-volatile erneuerbare elektrische Energie auf hohem Effizienzniveau bereitstellen zu können. Die zu entwickelnden Konzepte sollen KWK-Verstromungsanlagen im Leistungsbereich zwischen 1 MWel und 5 MWel ermöglichen.
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P35
Ziel 2.7: Nachnutzung der vorhandenen Kohlenwasserstoff-Infrastruktur (von der Sonde bis zur Sammelstation)
Österreich blickt auf über 80 Jahre Kohlenwasserstoff-Erkundung und -Gewinnung zurück. Neben profunder Kenntnis über potenziell für geothermische Anwendungen nutzbarer Reservoirs stehen derzeit auch noch über 1000 aktive Kohlenwasserstoff Sonden zur Verfügung, die zukünftig für geothermische Anwendungen nachgenutzt werden könnten. Potenzielle Nachnutzungsszenarien umfassen den Umbau dieser Sonden zu Tiefenwärmetauschern oder die direkte Nutzung der noch vorhandenen Förder- und Sammel-Infrastruktur mittels Wärmetauscher. Durch Schaffung eines geeigneten rechtlichen Rahmens sowie innovativer technologischer Konzepte kann eine sinnvolle energetische Nachnutzung der vorhandenen Kohlenwasserstoff-Infrastruktur erzielt werden. Eine besondere Bedeutung kann hierbei der landwirtschaftlichen Nutzung (z.B. Glashaus-Anwendungen im Marchfeld) beigemessen werden.
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P36
Ziel 2.8: Entwicklung von Pilotprojekten petrothermischer Energiegewinnung
Die Nutzung von heißem, aber trockenen Gestein (Hot Dry Rock, Enhanced Geothermal Systems) ermöglicht die Entkopplung der geothermischen Anwendung von dem Vorhandensein natürlicher Thermalwasservorkommen. Hierdurch ließe sich die Tiefe Geothermie in bislang ungeeigneten Festgesteinsgebieten oder Regionen mit geringen Sedimentbeckentiefen zukünftig einsetzen - in Österreich würde dies alle Landeshauptstädte abseits von Wien, Innsbruck und Bregenz betreffen. Erste petrothermische Pilotanlagen existieren weltweit seit den 1970er Jahren, wobei der technologische Durchbruch bislang noch nicht gelang. Dies ist einerseits auf den bisherigen Fokus in der Stromproduktion sowie durch das Auftreten unkontrollierter seismischer Ereignisse begründet. Durch die Erarbeitung der geowissenschaftlichen und technologischen Grundlagen zur Anwendung der Petrothermie in Österreich (Erhebung von Ressourcen und geologischen Gefährdungsmomenten sowie Systemintegration und Reduktion der Errichtungskosten von Anlagen) sollen die Grundlagen für die Errichtung erster Pilotanlagen in Österreich (geothermische KWK) ab 2030 geschaffen werden, um den breiten Ausbau dieser Technologie in den Dekaden danach vorzubereiten.
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P37
Ziel 2.9: Gewährleistung einer hohen Akzeptanz und technologischen Sichtbarkeit der Tiefen Geothermie
Die Nutzung der Tiefen Geothermie ist in Österreich in der öffentlichen Wahrnehmung oftmals noch mit der stofflichen Anwendung von Thermalwässern in Wellness-Bädern gleichgesetzt. Gewissermaßen stellten balneologische Anwendungen einen wichtigen Impulsgeber für die erste Ausbauwelle der Tiefen Geothermie zur Jahrtausendwende dar. Dieser Markt ist jedoch mittlerweile in Österreich weitgehend gesättigt. Durch gezielte Informations- und Interaktionskampagnen, insbesondere in Gebieten mit bekannten geothermischen Ressourcen sollen neue Anwendungsmöglichkeiten der Geothermie abseits der balneologischen Nutzung nähergebracht werden. Besonderes Augenmerk soll hierbei auf Vorbehalte, Vorurteile aber auch Erwartungen der lokalen Bevölkerung und anderen Stakeholdern (z.B. NGOs) in Gebieten mit hohem geothermischen Anwendungspotenzial gelegt werden. Insbesondere Sicherheitsaspekte, wie das unkontrollierte Erzeugen seismischer Ereignisse, kann zu einer drastischen Reduktion des Akzeptanzniveaus führen. Studien in Deutschland haben gezeigt, dass Vorbehalte und Vorurteile gegenüber der Geothermie einen sehr stark ausgeprägten regionalen Charakter haben und auf diese Regionalität in der Kommunikation unbedingt eingegangen werden muss.
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P38
Ziel 2.10: Methodenentwicklung zur Verbesserung der Reservoir Charakterisierung unter verschiedenen geologischen Rahmenbedingungen
Die Exploration von tiefen geothermischen Ressourcen ist eine große Herausforderung bei der Entwicklung von geothermischen Projekten. Um das Fündigkeitsrisiko von Nutzungen in großer Tiefe weiter zu minimieren, sollen Methoden für die Erkundung, prognostische Modellierung und für Experimente weiterentwickelt und verbessert werden. Die Methoden beziehen sich auf die so genannte thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemische (THMC-) Modellierung. Die THMC-Modellierung eines Reservoirs ist eine interdisziplinäre Herausforderung, für die eine enge Zusammenarbeit und gut definierte Schnittstellen zwischen den verschiedenen Disziplinen essenziell sind. Die Methoden der Exploration sowie der THMC-Modellierung umfassen die seismische Erkundung tiefer Strukturen, bohrlochgeophysikalische Methoden, Bohrtechnik, Laboranalytik und -experimente zur Beurteilung von Geofluiden, die Bestimmung thermophysikalischer Parameter sowie ein Benchmarking der verschiedenen Erkundungs- und Modellierungstechniken.
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3.3 Geothermische Wärmespeicherung (Utes - Underground Thermal Energy Storage)
P39
Die thermische Trägheit des Untergrunds ermöglicht die großvolumige und langfristige Speicherung von Wärme und Kälte im Temperaturbereich zwischen <10 °C und derzeit ca. 90 °C. Hierzu stehen verschiedene technische Konzepte zur Verfügung, die über unterschiedliche technologische Reifegrade verfügen.
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P40
- Erdwärmesondenspeicher (BTES - Borehole Thermal Energy Storage) besitzen einen sehr hohen technologischen Reifegrad (TRL 7 - 9) und werden vorrangig zur Speicherung von Niedertemperatur-Wärme (bis ca. 30 °C) in Tiefen von 50 bis ca. 200 Meter angewendet. Der Einsatz erfolgt zumeist in großvolumigen Gebäuden (insbesondere Bürogebäuden) mit alternierendem Heiz- und Kühlbedarf sowie in Niedertemperatur-Wärme- und Kältenetzen (“Anergienetzen”). Außerhalb Österreichs existieren auch BTES-Pilotanlagen, die Wärme im Temperaturbereich bis über 50 °C einspeichern, um auf den Einsatz von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung verzichten zu können (z.B. Crailsheim, Deutschland).
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P41
- Thermisch aktivierte, erdberührte Gebäudeelemente inkl. Tunnel: Das technologische Anwendungsprinzip sowie der technologische Reifegrad ist ähnlich zu den Erdwärmesondenspeichern. Der Einsatz erdberührter Gebäudeelemente als Speicher ergibt sich zumeist “schleichend” aufgrund des alternierenden Heiz- und Kühlbedarfs der Gebäude.
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P42
- Niedertemperatur-Aquiferspeicher (LT-ATES): Dieses Konzept beruht auf einer alternierenden Nutzung oberflächennaher Grundwasserkörper im Temperaturbereich unter 30°C (in Österreich wird eine maximale Einleitetemperatur von 20°C empfohlen). Der Vorteil dieser Anwendungsmethode besteht in der Verringerung der thermischen Auswirkung von Grundwassernutzung durch negative Interferenz der infolge der Anwendung resultierenden Temperaturfahne im Grundwasser. Bei lokal begrenzten und stagnierenden Grundwasservorkommen erfolgt die Wärmespeicherung durch Änderung der Fließrichtung in den thermisch genutzten Grundwasserbrunnen (mindestens ein Brunnenpaar). Bei einer alternierenden thermischen Grundwassernutzung ohne Änderung der Fließrichtung in den Brunnen erfolgt streng genommen keine echte Speicherung, sondern eine thermische Regeneration des genutzten Grundwasservorkommens. Der technologische Reifegrad von Niedertemperatur-Aquiferspeichern ist ebenfalls sehr hoch, insbesondere bei Kleinanlagen. In manchen Staaten, wie z.B. den Niederlanden ist LT-ATES mittlerweile die Standardanwendung in der thermischen Grundwassernutzung.
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P43
- Hochtemperatur-Aquiferspeicher (HT-ATES) basieren auf der Nutzung tiefliegender Aquifere in Tiefen zwischen 300 und ca. 2000 Metern unter Gelände. Das technologische Anwendungsprinzip ist ähnlich wie bei der Niedertemperatur-Aquiferspeicherung. Die Beladung und Entladung der im Regelfall räumlich begrenzten Aquifere erfolgt durch Änderung der Fließrichtung in Tiefbohrungen, die als Brunnenanlagen genutzt werden. Ein HT-ATES Speicher besteht wiederum aus zumindest zwei Tiefbohrungen. Im Gegensatz zu Niedertemperatur-Aquiferspeichern besitzt das HT-ATES Konzept einen etwas geringeren technologischen Reifegrad von TRL 5 - 7, obgleich erste Pilotanlagen in Deutschland, darunter das Reichstagsgebäude in Berlin, seit ca. 20 Jahren in Betrieb sind. Die bereits bestehenden Hochtemperatur-Aquiferspeicher operieren im Temperaturbereich zwischen 30°C und 90°C und bieten Speicherkapazitäten von 10 GWh bis über 50 GWh. Derzeit sind einige Pilotanlagen in Europa in Vorbereitung (Schweiz, Niederlande, Deutschland).
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P44
- Kavernenspeicher und Minenspeicher (CTES - Cavern Thermal Energy Storage) werden einerseits in Festgesteinsgebieten oder zur Nachnutzung von bereits bestehenden Hohlräumen, insbesondere stillgelegte Bergwerke eingesetzt. Kavernenspeicher profitieren einerseits von der thermischen Trägheit des umgebenden Gebirges sowie von ökonomischen Synergieeffekten in der Nachnutzung bereits vorhandener Hohlräume. Die Beladung bzw. Entladung der Speicher erfolgt durch Schächte, Bohrungen oder Zuleitungen in Zugangsstollen. Der technologische Reifegrad der Kavernenspeicher liegt ähnlich zum HT-ATES Konzept im Bereich TRL 5 - 7. Pilotanlagen existieren z.B. in Schweden (Kavernenspeicher) oder den Niederlanden (ehemalige Kohlemine).
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P45
Auf andere unterirdische Speicherkonzepte, wie z.B. Erdbeckenspeicher, die hauptsächlich auf etablierten geotechnischen Konzepten beruhen und nicht die Charakteristika geologischer Speicher (geringer Platzverbrauch an der Erdoberfläche) aufweisen, wird nicht eingegangen und sind nicht Gegenstand dieser Roadmap.
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P46
Der aktuelle Stand der Forschung und der Forschungs- und Innovationsbedarf für das Anwendungsfeld „Geothermische Wärmespeicherung“ werden im Folgenden mit Erläuterungen dargestellt. Bitte kommentieren und bewerten Sie: Werden die Potenziale und Themen entsprechend richtig adressiert? Wo sollte die österreichische FTI-Politik Schwerpunkte und Prioritäten setzen?
P47
Ziel 3.1: Erhöhung der Effizienz von Niedertemperatur-Wärmespeichern (bis 30 °C) durch verbesserte Planung, Materialien und Betriebsweisen
Die saisonal alternierende Heiz- und Kühlanwendung der Erdwärme findet in Österreich, insbesondere in großvolumigen Bürogebäuden bereits seit einigen Jahren statt. Die Optimierung solcher Anwendung als Niedertemperatur-Wärmespeicher stand bislang jedoch noch nicht im Vordergrund. Durch F&E-Aktivitäten im Bereich von Materialforschung (z.B. Verbesserung von Erdwärmesonden) und Anwendungskonzepten (z.B. getrennte Wärme- und Kältespeicher in Anergienetzen) soll die Speichereffizienz (Wärmeverluste), die Speicherflexibilität (kurzfristige Einspeisung und Entnahme von Wärme) sowie die Speicherzuverlässigkeit (garantierte Bereitstellung der für Heiz- und Kühlanwendungen bereitgestellten Temperaturniveaus) verbessert werden. Speziell für die Anwendung von Niedertemperatur-Speichern in Anergienetzen sollen Konzepte und technologische Lösungen für die Kopplung zu konventionellen Wärmenetzen (Netztemperatur über 50°C) sowie zum Elektrizitätssektor über die Schaltung von Wärmepumpen erarbeitet werden.
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P48
Ziel 3.2: Technologische Einführung von großvolumigen Hochtemperatur-Wärmespeichern (über 30 °C) in Österreich inkl. Errichtung erster Pilotanlagen
Geothermische Hochtemperatur-Wärmespeicher besitzen den Vorteil großer Speichervolumina, sind jedoch derzeit noch für kurzfristige Speicherzyklen (geringer als 1 Monat) nicht geeignet. Derzeit entstehen in vielen Staaten Europas Pilotanlagen für großvolumige Hochtemperatur-Wärmespeicher für maximale Speichertemperaturen bis 90 °C. Die geologischen Voraussetzungen erlauben die Anwendung derartiger Speicher. Hierbei sind vor Allem gut erforschte ehemalige Erdöl-Lagerstätten hervorzuheben, die zukünftig auf als Wärmespeicher genutzt werden sollen. Durch systematische Erkundung und Bewertung potenzieller Wärmespeicher soll das technische Anwendungspotenzial in Österreich erhoben und erste Demonstrationsanlagen errichtet werden. Neben technologischer Forschung, die sich auf die Reduktion von Planungsunsicherheiten sowie auf die Gewährleistung eines effizienten, sicheren und nachhaltigen Betriebs geologischer Speicher konzentriert, sind auch nicht-technologische Aspekte, wie optimierte behördliche Genehmigungs- und Überwachungsverfahren zu adressieren. Dieses Ziel umfasst auch technologische Forschung für den umweltfreundlichen Betrieb von Hochtemperatur-Tiefensondenspeichern.
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P49
Ziel 3.3: Synergetische Nachnutzung bestehender Hohlräume in Form von Altbergbauanlagen, Tunnel- und Stollenanlagen als Kavernenspeicher in Österreich
Bestehende unterirdische Hohlräume aus den Bereichen Bergbau, Tunnelbau (z.B. Sondierungsstollen) und Schutz- sowie Bunkeranlagen können als geothermische Kavernenspeicher nachgenutzt werden. Im Rahmen dieses Ziels soll der Bestand an bereits existierenden unterirdischen Hohlräumen untersucht und hinsichtlich der Eignung als Kavernenspeicher evaluiert werden. Zudem sollen kostengünstige bergmännische Methoden zur Errichtung neuer Kavernen in Festgesteinsgebieten untersucht werden.
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P50
Ziel 3.4: Verbesserte Integration geologischer Wärmespeicher und synergetische Nutzungen
Neben der technologischen Nutzbarmachung geologischer Wärmespeicher ist auch die Integration in Wärme- und Kältenetze von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen dieser Zielsetzung sollen, basierend auf Erfahrungen aus internationalen und nationalen Pilotvorhaben, optimierte Anwendungs- und Schaltungskonzepte für die Einbindung von geologischen Wärmespeichern in Netze identifiziert und etabliert werden. Die hiermit einhergehenden Optimierungsaufgaben betreffen Temperaturniveaus, technische Auslegekonzepte sowie Betriebsweisen von sowohl Niedertemperatur- als auch Hochtemperatur-Speichern.
Tiefliegende geologische Reservoire lassen sich neben der Wärmespeicherung oftmals auch für andere Speicherzwecke nutzen. F&E-Aktivitäten sollen technologische Synergien geologischer Wärmespeicher zu anderen Speicherkonzepten (z.B. Druckluft) identifizieren und gegebenenfalls in Pilotanlagen demonstrieren.
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P51
Ziel 3.5: Gewährleistung einer hohen Akzeptanz geothermischer Speicher
Gerade geothermische Technologien leiden durch die Nutzung hauptsächlich im Untergrund unter einer mangelnden Sichtbarkeit und dadurch unter – teilweise leicht zu entkräftenden – Vorurteilen. Die Implementierung von neuen Technologien sollte immer sozialwissenschaftlich begleitet werden, um eine möglichst breite Akzeptanz dieser Technologien und eine gute Sichtbarkeit der geothermischen Technologien sicherzustellen. Mit verschiedensten Methoden – z.B. Baustellenbesichtigungen, „Energiespaziergänge“, Info-Veranstaltungen für die Öffentlichkeit sowie gezielte Workshops zur AnwenderInnen- und Stakeholder-Einbindung – soll eine breite Öffentlichkeit angesprochen und eingebunden werden.
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