Neue Studie prognostiziert die Auswirkungen geothermischer Wärmepumpen auf Kohlenstoffemissionen und das Stromnetz bis 2050

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Eine Modellierung Analyse Unter der Leitung des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums gibt es einen ersten detaillierten Einblick in die Frage, wie Geothermie das Stromnetz entlasten und den CO2-Ausstoß reduzieren kann, wenn sie in den nächsten Jahrzehnten in den Vereinigten Staaten flächendeckend umgesetzt wird.

Die Forscher erstellten ein Simulationsmodell für den Masseneinsatz von Erdwärmepumpen (GHPs) in Gewerbe- und Wohngebäuden von 2022 bis 2050. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass GHPs, auch Erdwärmepumpen genannt, auf nationaler Ebene eingesetzt würden Zusammen mit der Verbesserung der Gebäudehülle bei Einfamilienhäusern würde das Stromnetz entlastet, die Energiekosten gesenkt und der Kohlendioxidausstoß deutlich reduziert.

„GHPs gelten traditionell als Technologie zur Energieeffizienz von Gebäuden“, sagte Xiaobing Liu vom ORNL, der als Hauptforscher an der Studie beteiligt war. „Diese Analyse ergab, dass GHPs einen enormen Einfluss auf elektrische Energiesysteme haben, indem sie die Anforderungen an Kapazität, Erzeugung und Übertragung sowie die CO2-Emissionen reduzieren.“

Bahnbrechende Zahlen

GHPs bieten eine umweltfreundliche, energieeffiziente Alternative zu herkömmlichen Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen bzw. HVAC-Systemen. Sie funktionieren durch die Übertragung von Wärme zum und vom Boden über unterirdische Rohre. Das Rohrsystem entzieht dem Erdreich Wärme, um im Winter Gebäude zu erwärmen, während es im Sommer das Erdreich als Wärmesenke zum Kühlen von Gebäuden nutzt.

Liu sagte, dass der Masseneinsatz von GHP sowohl in Gewerbe- als auch in Wohngebäuden in Verbindung mit Verbesserungen der Gebäudehülle bei Einfamilienhäusern bis 2050 mehr als 7.000 Millionen Tonnen CO2-Emissionen reduzieren kann, wobei mehr als 3.000 Millionen Tonnen der Reduzierung auf das Konto gehen Der Rest stammt aus dem Ersatz von Erdgas für die Heizung im Gebäudesektor.

„Es ist allgemein bekannt, dass GHPs aufgrund ihrer hohen Effizienz und der Fähigkeit, Wärme ohne den Kauf von Brennstoffen zu liefern, zur Senkung der Energiekosten von Gebäuden beitragen, was zu null Emissionen vor Ort führt“, sagte Liu. „Bisher haben jedoch nur wenige Studien die Auswirkungen des groß angelegten Einsatzes von Treibhausgasen auf das Stromnetz untersucht.“

ORNL-Gebäude- und Elektrifizierungsforscher arbeiteten mit dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) zusammen, um Co-Simulationen des US-amerikanischen Gebäudebestands und der Stromversorgungssysteme zu erstellen, wobei das GHP-Systemsimulationstool des ORNL und die in NREL verfügbaren Gebäudedaten zum Einsatz kamen Energieverbrauchslastprofile. Die erste ihrer Art simuliert die Auswirkungen auf den Energieverbrauch, wenn GHPs in 68 % der Grundfläche bestehender und neuer Gebäude in den angrenzenden Vereinigten Staaten eingesetzt würden. Die Forscher untersuchten drei Szenarien: Weiterbetrieb des Netzes in der jetzigen Form; bis 2035 eine Reduzierung der Netzemissionen um 95 % und bis 2050 100 % sauberen Strom erreichen; und die Ausweitung der Netzdekarbonisierung auf die Elektrifizierung großer Teile der Wirtschaft, einschließlich der Gebäudeheizung. Das Analyseteam modellierte jedes dieser drei Szenarien mit und ohne massiven GHP-Einsatz in Verbindung mit Verbesserungen der Gebäudehülle in Einfamilienhäusern.

„Die Ergebnisse wurden unter Nutzung der aktuellen Leistungsfähigkeit bestehender Tools und Daten entwickelt“, fügte Liu hinzu. „Wir haben das Regional Energy Deployment System-Modell von NREL und PLEXOS, eine kommerzielle Software zur detaillierteren Simulation elektrischer Energiesysteme, kombiniert, um mehrjährige Simulationen US-amerikanischer elektrischer Energiesysteme in verschiedenen Szenarien in unterschiedlichen Regionen, in verschiedenen Jahreszeiten und zu Spitzen- und Tiefstzeiten durchzuführen Energiebedarf.”

Obwohl in fast allen Regionen des Landes Einsparungen beim Strombedarf und eine Reduzierung der CO2-Emissionen erzielt wurden, zeigten die Simulationen, dass GHPs in kalten Klimazonen die CO2-Emissionen und den Energieverbrauch wirksamer reduzieren als herkömmliche HVAC-Systeme, da sie natürliche Systeme ersetzen Gasöfen und Reduzierung des Einsatzes von Elektroheizungen. In wärmeren Klimazonen, etwa im Süden und anderen milderen Klimazonen, erzielen GHPs höhere Stromeinsparungen. Auch die Reduzierung des Spitzenstrombedarfs ist in dicht besiedelten Gebieten im Süden am höchsten.

„Wir haben gezeigt, dass ein massenhafter Einsatz von GHPs in Verbindung mit Verbesserungen der Gebäudehülle den Erzeugungs- und Kapazitätsbedarf des US-Stromnetzes im Jahr 2050 um bis zu 11 % bzw. 13 % reduzieren kann“, sagte Liu. „Außerdem kann der Spitzenstrombedarf in einigen heißen Klimazonen um bis zu 28 % gesenkt werden, was den Netzbetrieb erleichtert.“

Diese Prozentsätze führen dazu, dass im Jahr 2050 etwa 600 Terawattstunden Strom eingespart werden und gleichzeitig mehr als 5.000 Milliarden Megajoule fossiler Brennstoffe eingespart werden, was 5 % der in den Vereinigten Staaten im Jahr 2022 verbrauchten Primärenergie entspricht, einschließlich Erdgas, Heizöl und Erdgas Propan. Wenn der GHP-Einsatz von 2022 bis 2050 stetig zunehmen würde, könnten auch mehr als 300 Milliarden US-Dollar an kumulierten Stromzahlungen eingespart werden. Liu sagte, dies würde den Einsatz von etwa fünf Millionen GHPs pro Jahr erfordern.

Weniger Ausfälle

Da extreme Wetterereignisse das Stromnetz weiterhin belasten, kam es in den letzten Jahren zu längeren Stromausfällen oder fortlaufenden Stromausfällen. GHPs könnten eine Lösung zur Verbesserung der Netzstabilität sein. Um die Leistungsfähigkeit nachzuweisen, analysierte die Studie die Auswirkungen des Masseneinsatzes von GHP auf das texanische Stromnetz, das im Jahr 2021 aufgrund von Winterstürmen erhebliche Stromausfälle erlitt.

„Während dieser intensiven Wetterereignisse hätte der Masseneinsatz von GHPs den Betrieb des Netzes verbessern und den Gesamtstrombedarf senken können“, sagte Liu. „Diese vorläufige Analyse kann aufschlussreiche Informationen für Texas und andere Regionen liefern, in denen in Zeiten anhaltender Unwetter ein höherer Strombedarf herrscht, als die Kraftwerke bereitstellen können.“

Liu sagte, dass die erste Bewertung zwar darauf hindeutet, dass der Masseneinsatz von GHPs die Netzzuverlässigkeit in Texas verbessern kann, eine detailliertere Analyse jedoch erforderlich sei, um ein genaues Bild davon zu erhalten, wie sie in verschiedenen Regionen funktionieren würden.

Jamie Lian, der als Co-Ermittler der Studie fungierte, fügte hinzu, dass, wenn GHPs in den Vereinigten Staaten eingesetzt würden, viele Installationen von Versorgungsunternehmen in Systemen auf Bezirksebene durchgeführt würden, sodass Bodenbohrungen in zahlreichen Gebäuden eingesetzt werden könnten. Die Studie bietet Versorgungsunternehmen eine Grundlage zur Bewertung der Investition in den GHP-Einsatz.

„Ein nachhaltiger Vorteil dieser Studie besteht darin, dass wir eine landesweite Analyse entwickelt haben, die von der Gebäudeanalyse auf die regionalen Auswirkungen und auf das gesamte Netz übertragbar ist“, sagte Lian.

Rechtzeitige Werkzeuge

Um die Kosten und Vorteile von GHP-Anwendungen besser zu verstehen, hat das ORNL-Forschungsteam ein verbraucherfreundliches, webbasiertes Tool zur Schätzung der Kosten und Vorteile der Anwendung von GHPs in Wohn- und Gewerbegebäuden entwickelt.

Der kostenloses Tool ist für Hausbesitzer, Bauherren, Installateure und Hersteller frei zugänglich. Damit können Benutzer die Energieeinsparungen berechnen, die durch GHPs erzielt werden können, wenn sie in jeder Art von Wohn- oder Gewerbegebäude in jeder US-Klimazone installiert werden. Das Tool nutzte ORNLs AutoBEM Software, die automatisch ein Gebäudeenergiesimulationsmodell für fast jedes bestehende Gebäude im Land erstellen kann, basierend auf minimalen Informationen, einschließlich Gebäudegrundfläche, Baujahr, Hauptfunktion und anderen Informationen aus den Prototyp-Gebäudemodellen des DOE.

„Wenn es zu einem massiven Einsatz von GHP-Systemen kommt, haben wir jetzt einen Ausgangspunkt dafür, wie es in Bezug auf Kapazität, Erzeugung, Emissionen, Kosten und Belastbarkeit der Stromversorgungssysteme aussehen würde“, sagte Liu. „Das Bild sieht sehr vielversprechend aus.“

Zusätzlich zu Xiaobing Liu Und Jamie LianZu den an der Studie beteiligten Forschern gehören Xiaofei Wang, Mini Malhotra, Yanfei Li und Jyothis Anand vom ORNL; Jonathan Ho und Weijia Liu vom NREL; und Sean Porse und Jeff Winick vom DOE.

Die Analyse wurde vom Geothermal Technologies Office des DOE finanziert.

UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des DOE, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte energie.gov/science.

Mit freundlicher Genehmigung von Oak Ridge National Laboratory.