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Die unterirdische Wärmeverschmutzung könnte genutzt werden, um den Klimawandel abzuschwächen

Das Geheimnis der effizienten Beheizung einiger Gebäude könnte unter unseren Füßen lauern, in der Wärme, die Menschen versehentlich unter der Erde gespeichert haben.

So wie Städte die Umgebungsluft erwärmen und städtische Wärmeinseln entstehen lassen, erwärmt auch die menschliche Infrastruktur die darunter liegende Erde (SN: 27.03.09). Eine Analyse von Grundwasserbrunnenstandorten in ganz Europa und Teilen Nordamerikas und Australiens zeigt nun, dass etwa ein paar Tausend dieser Standorte überschüssige unterirdische Wärme besitzen, die ein Jahr lang zum Heizen von Gebäuden recycelt werden könnte, berichten Forscher am 8. Juli Naturkommunikation.

Mehr noch: Selbst wenn es den Menschen gelingen würde, all diese angesammelte Wärmeverschmutzung zu beseitigen, würde die bestehende Infrastruktur an etwa einem Viertel der Standorte den Boden weiterhin so weit erwärmen, dass Wärme für viele Jahre geerntet werden könnte. Das könnte die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und zum Klimaschutz beitragen.

Diese Arbeit zeigt die Auswirkungen, die unterirdisches Wärmerecycling haben könnte, wenn es in großem Maßstab genutzt wird, sagt der Hydrogeologe Grant Ferguson von der University of Saskatchewan in Saskatoon, Kanada, der nicht an der Studie beteiligt war. „Da draußen gibt es viel ungenutztes Potenzial.“

Von den warmen Wurzeln von Bauwerken wie Gebäuden, Parkhäusern und Tunneln sowie von künstlichen Oberflächen wie Asphalt, die Sonnenstrahlung absorbieren, dringt Wärme in den Untergrund ein. In Lyon, Frankreich, fanden Forscher beispielsweise 2016 heraus, dass menschliche Infrastruktur das Grundwasser um mehr als 4 Grad Celsius erwärmte.

Wissenschaftler verstehen nicht vollständig, wie Hitzeverschmutzung unterirdische Umgebungen verändert. Die Erwärmung des Untergrunds kann jedoch dazu führen, dass Schadstoffe wie Arsen leichter durch das Grundwasser wandern.

Die Ableitung der thermischen Verschmutzung könnte durch die Zuleitung von Grundwasser zu Wärmepumpen an der Oberfläche erreicht werden. Das Wasser, das durch all diese eingeschlossene Wärme unter der Erde erwärmt wird, könnte dann Gebäude erwärmen, da es Wärme in ihre kühleren Innenräume abgibt, sagt Susanne Benz, Umweltwissenschaftlerin an der Dalhousie University in Halifax, Kanada.

Die Nutzung unterirdischer Wärme auf diese Weise könnte einigen Gemeinden eine zuverlässige und energiesparende Möglichkeit bieten, ihre Häuser zu heizen, sagt Benz. „Und wenn wir es nicht nutzen, sammelt es sich einfach weiter an“, sagt sie.

An mehr als 6.000 Standorten, die meisten davon in Europa, analysierten Benz und ihre Kollegen die Bevölkerungszahl, den Heizwärmebedarf und die Grundwassertemperatur. Die Forscher fanden heraus, dass sich an etwa 43 Prozent der Standorte – meist in der Nähe von dicht besiedelten Gebieten – genug Wärme in den obersten 20 Metern der Erde angesammelt hatte, um den lokalen Wärmebedarf eines Jahres zu decken.

Neugierig auf Nachhaltigkeit identifizierten die Forscher auch Orte, an denen der kontinuierliche Wärmefluss in den Untergrund – und nicht nur die gelagerte thermische Verschmutzung – hoch war. Ihre Berechnungen zeigen, dass, wenn die gesamte angesammelte Wärme zuerst abgezogen würde, die Wärme, die weiterhin aus der bestehenden Infrastruktur entweicht, an etwa 25 Prozent der 6.000 Standorte geerntet werden könnte. An 18 Prozent der Standorte könnte diese recycelte Wärme mindestens ein Viertel des Wärmebedarfs der lokalen Bevölkerung decken.

Der Bau von Systemen zur Nutzung der heutigen Wärmeverschmutzung durch den Menschen könnte den Bewohnern eines Tages helfen, Wärme aus dem Klimawandel zu gewinnen, sagen die Forscher.

Anhand von Klimaprognosen für das Ende des Jahrhunderts untersuchte das Team die Machbarkeit der unterirdischen Wärmegewinnung in einer wärmeren Welt. Im optimistischsten betrachteten Erwärmungsszenario, das von einem Höhepunkt der Treibhausgasemissionen um das Jahr 2040 ausgeht, stellten die Forscher fest, dass der Klimawandel den Boden bis zum Ende des Jahrhunderts so weit erwärmen würde, dass die unterirdische Wärmerückgewinnung an 81 Prozent der untersuchten Standorte mehr treffen könnte als ein Viertel des Heizbedarfs der Einheimischen. Wenn keine Bemühungen zur Emissionsminderung unternommen werden, steigt diese Zahl auf 99 Prozent der Standorte.

Obwohl sich die Forscher hauptsächlich auf Europa konzentrierten, sagt Benz, dass andere Kontinente wahrscheinlich auch reichlich unterirdische Wärme besitzen, die genutzt werden könnte. In Europa und anderswo könnte Wärmerecycling am ehesten in Vorortgebieten machbar sein, sagt sie, wo genügend unterirdische Wärme gespeichert wird, um den lokalen Wärmebedarf zu decken, und Platz für die Installation von Wärmerecyclingsystemen.

Mit Blick auf die Zukunft plant Benz zu untersuchen, ob die Kühlung des Untergrunds dazu beitragen kann, die oberirdischen Temperaturen in städtischen Umgebungen zu senken. „Dies könnte tatsächlich ein kleines zusätzliches Werkzeug zur Kontrolle sein [aboveground] städtische Hitze.“

S. A. Benz et al. Das oberflächennahe Wärmerecycling ist eine nachhaltige globale Raumheizungsalternative. Naturkommunikation. Vol. 13, 8. Juli 2022, 3962. doi: 10.1038/s41467-022-31624-6.

G. Attard et al. Deterministische Modellierung des Einflusses unterirdischer Bauwerke auf die städtische Grundwassertemperatur. Wissenschaft der gesamten Umwelt. Vol. 572, 1. Dezember 2016, p. 986. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.07.229.

Autoren: Nikk Ogasa von Sciencenews

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