Saubere Luft dank Erdwärme

14.04.2020 | Magazin Globe

Von:  Felix Würsten  | 

Dreckige Kohleheizungen machen den Menschen in der Mongolei im Winter das Leben schwer. ETH-​​Geophysiker helfen nun, Geothermie als saubere Alternative zu erschliessen.

Weite, leere Landschaften, eine weitgehend unberührte Natur – diese idyllischen Bilder verbindet man hier in Europa gewöhnlich mit der Mongolei. Doch das ist nicht die ganze Wahrheit, vor allem nicht im Winter. Denn dort, wo die Menschen leben, ist es in dieser Jahreszeit meist alles andere als idyllisch. Dicker, russiger Rauch liegt über den Siedlungen und macht den Menschen das Atmen schwer. Bis zum 80-​Fachen des von der Weltgesundheitsorganisation WHO definierten Richtwerts erreicht die Belastung in den Siedlungen – eine unzumutbare Situation, denn die dreckige Luft führt dort auch zu massiven Gesundheitsproblemen.

Potenzial in der Tiefe

Ein Ausweg aus dieser kritischen Situation wäre, die Häuser nicht mehr wie bisher mit veralteten, meist filterlosen Kohleöfen zu heizen, sondern mit erneuerbarer, sauberer Energie. Und die Voraussetzungen dazu sind in der Mongolei gar nicht so schlecht. Im Untergrund schlummert heisses Magma, erkennbar an den zahlreichen heissen Quellen, die bis zu 87 Grad heisses Wasser an die Erdoberfläche bringen. Tatsächlich wird die Geothermie in der Mongolei bereits genutzt, beispielswese zum Beheizen von Gewächshäusern. Doch um diese Energiequelle im grösseren Massstab zu nutzen, bräuchte es wesentlich mehr Wasser, als an der Erdoberfläche zu Tage tritt. Das Problem dabei: Das heisse Wasser fliesst im Untergrund nur entlang bestimmter Zonen. Wenn man nicht weiss, wo sich diese befinden, wird jede Bohrung, die das kostbare Wärmereservoir erschliessen soll, zur Lotterie.

Diese Erfahrung machten auch die Menschen in Tsetserleg in der Provinz Arkhangai. Die bisherigen Bohrungen spülen nur gerade 40 Grad warmes Wasser an die Erdoberfläche. Das reicht zwar für ein warmes Bad, aber nicht, um eine Stadt zu heizen – geschweige denn, um Strom zu produzieren. Dementsprechend waren die lokalen Behörden zunächst skeptisch, als ihnen ETH-​Forschende einen neuen Versuch vorschlugen, die Geothermie in der Region im grossen Massstab zu erschliessen.

Doch Martin Saar, Professor für Geothermische Energie und Geofluide im Departement Erdwissenschaften, und Friedemann Samrock, Oberassistent in Saars Gruppe, sind zuversichtlich, dass die Stadt mit Wärme aus dem Untergrund geheizt werden könnte. «Die Voraussetzungen in Tsetserleg sind ideal. Es gibt hier nicht nur heisses Wasser in der Tiefe, sondern es existiert auch bereits ein Fernwärmenetz, um die Wärme zu verteilen», erklärt Saar. Dieses wird heute von einer Kohleheizung gespeist, könnte aber ohne grösseren Aufwand mit heissem Wasser aus der Erde betrieben werden.

Impulse aus dem All

Dass Saar und Samrock so zuversichtlich sind, die richtigen Stellen für die Erschliessung des heissen Grundwassers zu finden, hat einen guten Grund: Mit der sogenannten Magnetotellurik verfügen sie über eine Messmethode, mit der sich präzise aufzeigen lässt, wo in der Tiefe wasserführende Schichten durchziehen. Das Verfahren basiert auf der Tatsache, dass zeitlich variierende Magnetfelder in den leitfähigen Strukturen im Erdinnern elektrische Wirbelströme verursachen. Die Schwankungen des Magnetfelds können beispielsweise durch den Sonnenwind oder durch globale Blitzaktivität ausgelöst werden. Das elektrische Feld, das durch diese Schwankungen auf natürliche Weise induziert wird, erzeugt wiederum ein sekundäres Magnetfeld, das man dann mit entsprechenden Messgeräten an der Erdoberfläche messen und analysieren kann. «Die Messdaten zeigen uns, wie die elektrische Leitfähigkeit im Untergrund variiert. Und da wasserführende Schichten eine andere Leitfähigkeit haben als trockenes Umgebungsgestein, sehen wir anhand der Auswertung, wo das heisse Wasser zu finden ist», erläutert Samrock.

Günstig ist dabei, dass es in der Mongolei – anders als beispielsweise in der dicht besiedelten Schweiz – nur sehr wenige menschliche Störsignale gibt. So verlief denn auch die erste Messkampagne im letzten Sommer speditiv. An insgesamt 184 verschiedenen Orten konnten die Forschenden ihre Messanlage aufstellen, um die Strukturen im Untergrund zu erfassen. «Im nächsten Sommer werden wir dann in einer zweiten Kampagne gezielt diejenigen Stellen genauer untersuchen, die uns besonders vielversprechend erscheinen», erklärt Samrock. Bei der Auswertung der Daten können die ETH-​Geophysiker eine weitere Stärke ausspielen. Sie arbeiten mit der Gruppe für Magnetismus der Erde und Planeten zusammen. Diese verfügt über ausgeklügelte numerische Verfahren, mit denen die Strukturen im Untergrund berechnet werden können. «Das Rechenprogramm unserer Kollegen hat zwei Stärken: Es geht nicht von einer flachen Erdoberfläche aus, wie andere Programme, sondern berücksichtigt die Topografie. Und es ist in der Lage, Variationen in der Auflösung, die durch unregelmässige Verteilung der Messstationen entstehen, korrekt abzubilden», sagt Samrock.

Forschung für Entwicklung

Zentral ist aber nicht nur die geophysikalische Forschung, sondern auch der Wissenstransfer, handelt es sich doch um ein «Research on Global Issues for Development»-​Projekt, das vom Schweizerischen Nationalfonds und der Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit (Deza) gemeinsam finanziert wird und an dem sich auch die Mongolian Academy of Sciences beteiligt. «Wir haben einen Doktoranden aus der Mongolei im Team, der nach seinem Abschluss als Experte im Land weiterarbeiten wird», erklärt Saar. «Und wir werden nach Abschluss der Messkampagnen auch die Ausrüstung in der Mongolei lassen, damit die dortigen Geophysiker auch noch in anderen Gebieten nach heissem Grundwasser suchen können.» Damit wäre der Weg geebnet, in der Mongolei die Luftqualität im Winter massiv zu verbessern – und gleichzeitig auch die CO2-​Emissionen des Landes zu reduzieren.

Weitere Informationen: https://ethz.ch/

FOTO: Bereits am zweiten Tag der Heizperiode, die Anfang Oktober beginnt,breitet sich über der Stadt Tsetserleg dichter Rauch aus. (Bild: F. Samrock / ETH Zürich)

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