Geofaktoren und ein solares Wasserstoff-Energiekonzept in NE-Afrika

Angesichts sich verknappender fossiler Brennstoffe und der sich immer deutlicher abzeichnenden Probleme durch das Verbrennungsprodukt Kohlendioxid und anderer Treibhausgase, entsteht ein zunehmender Handlungsbedarf bezüglich der Verwendung umweltfreundlicher Energieträger. Der Übergang zu solartechnisch erzeugtem Wasserstoff stellt eine umweltfreundliche Option dar. In den ariden und hyperariden Saharaarealen NE-Afrikas werden im wesentlichen in Abhängigkeit der Geofaktoren Klima, Geologie, Boden, geographische Lage, Hydrogeologie, aber auch von anthropogenen Einflüssen, Gebiete ausgewiesen, die als Standorte für Photovoltaik-Großkraftanlagen mit nachgeschalteten Elektrolyseuren zur Erzeugung des speicherfähigen Sekundärenergieträgers Wasserstoff grundsätzlich in Frage kommen. Die Insolation auf diese Flächen reicht aus, um mit den dort produzierbaren 10 Mrd. t SKE/a etwas mehr als den Weltenergieverbrauch von 1988 beziehungsweise rund 50 % des prognostizierten Verbrauches des Jahres 2030 zu decken. Eine Hierarchisierung der ausgewählten Lokalitäten nach standortspezifischen Parametern und differenzierter Wichtung erlaubt die Abschätzung und Wertung ihres Eignungsgrades. Für diese Aufgaben wurde ein Geoinformationssystem auf einer Rechenanlage implementiert, das eine Literaturdatenbank, numerische und graphische Datenverarbeitung einschließlich graphisch-interaktiver Kartographie und Anwendung von Simulationsverfahren beinhaltet. Die Eignung von in Frage kommenden Grundwasserressourcen wird nach den Gesichtspunkten Volumen, Qualität, hydraulische Kennwerte und Distanz zu den ausgewiesenen Standortalternativen für den Raum NE-Afrika im Überblick verglichen, wobei der Schwerpunkt auf das Nubische Aquifer-System gelegt wird. Die Nutzung der vorhandenen Grundwasservorkommen in den großen Sedimentbecken der Sahara kommt grundsätzlich zur Speisewasserbedarfsdeckung für die solare Wasserstoffgewinnung in Frage. Vergleichsbetrachtungen belegen die energetischen Vorteile von nahe bei den Elektrolyseuren beziehungsweise Photovoltaik-Kraftanlagen gelegenen Brunnenfelder gegenüber dem Transport von an der Küste entsalztem Meerwasser via Pipelines zu den küstenfernen einstrahlungsreichen Kraftwerksstandorten. Eine Entmineralisierung von Grundwasser ist sowohl technologisch als auch aus ökonomischen Überlegungen heraus günstiger als der Zugriff auf Meerwasser, das gegenüber Grundwasser einen 80-fach höheren Mineralisationsgrad aufweist. Die bislang favorisierten Szenarien sollten hinsichtlich Standortauswahl und Speisewasserbereitstellung partiell revidiert werden. Szenarien unterschiedlicher Solarkraftwerksstandortlösungen werden entworfen und verglichen. Auf der Basis der angestellten Untersuchungen können aus hydrogeologischer und wasserwirtschaftlicher Sicht bereits entwickelte Planungen (Qattara-Projekt) und in Diskussion befindliche Szenarien zum Aufbau solarer Wasserstoffanlagen im Hinblick auf einen verbesserten Systemgesamtwirkungsgrad ergänzt werden. Ein abgestuftes Vorgehen bei der Nutzbarmachung des saharischen Solarpotentials wird vorgeschlagen, wobei zu Beginn ausschließlich auf Grundwasser zugegriffen wird und erst später auf Meerwasser. Dessen Anteil kann sukzessive bis zur vollständigen Bedarfsdeckung erhöht werden. Unter Fallstudienbedingungen beliefe sich der über 130 Jahre addierte Grundwasserverbrauch im Jahre 2150 bei einer Energieausbeute von dann erzielten 5 Mrd. t SKE/a auf 640 Mrd. m3, was 0,4 % des Grundwasservolumens des Nubischen Aquifer-Systems entspricht.

Increasing shortage of fossil energy carriers and growing problems caused by carbon dioxide as combustion product and other green house gases, lead to increasing demand for alternative energy carriers with high environmental tolerance. This environmental option is met by use of solar generated hydrogen. In the arid and hyperarid areas of the Sahara in Northeast Africa where about 80 % of the world-wide areas with solar radiation more than 2300 kWh/m2 yr are located, appropriate areas are proved as sites for photovoltaic solar power plants and hydrogen electrolyzers. Griterías of examination are geofactors as climate, geology, soil, geographic position, hydrogeology, anthropological influences, and other relevant factors. The defined areas are suitable for producing an equivalent of 10 billions tce/ÿr that covers more than the world energy consumption in 1988, respectively 50 % of prognosticated consumption in the year 2030. Characterization and evaluation of site-specific parameters allows to establish a hierarchical order of suitability of the different areas. To tackle this task a geoinformation system has been implemented, comprising components as literature data base, numerical and graphical interactive data processing, cartography and modelling. The suitability of groundwater resources in Northeast Africa is examined considering aquifer volume, water quality, hydraulic parameters and distance to the defined locations for the electrolyzers. The study focuses on the Nubian Aquifer System that covers parts of Egypt, Libya, Chad and Sudan. It can be stated that the exploitation of the groundwater resources of the great sedimentary basins in the Sahara in order to feed the hydrogen electrolyzers is seriously considerable. The study shows the energetic advantage of well-fields nearby the electrolyzers and photovoltaic generators compared with far-distant pipeline transport of desalinated seawater from the coast. Both from the technological and economical point of view it is more favourable to use groundwater whose salt content is by factor 80 below the mineralization of seawater. Present concepts for site-selection and feed water supply should be partially revised by consideration of the relevant geofactors. The study presents different scenarios of conceptions for producing solar-generated hydrogen. System efficiency of existing projects and plannings (Quattara project) can be improved by modifying the water supply schemes. It is suggested to choose a stepwise procedure with exclusively groundwater use at the beginning and increasing quantities of desalinated seawater with time. Supposing an energy production starting in the year 2020 and continuously growing up to 5 billions tee in the year 2150 a total groundwater volume of about 640 x 109 m3 or 0.4 % of the groundwater content of the Nubian Aquifer System would be consumed.