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With the amendment to the German Climate Change Act in 2021, the Federal Government of Germany has set the target to become greenhouse gas neutral by 2045. Reaching this ambitious target requires multisectoral efforts, which in turn calls for interdisciplinary collaboration: the Net-Zero-2050 project of the Helmholtz Climate Initiative serves as an example of successful, interdisciplinary collaboration with the aim of producing valuable recommendations for action to achieve net-zero CO 2 emissions in Germany. To this end, we applied an interdisciplinary approach to combining comprehensive research results from ten German national research centers in the context of carbon neutrality in Germany. In this paper, we present our approach and the method behind the interdisciplinary storylines development, which enabled us to create a common framework between different carbon dioxide removal and avoidance methods and the bigger carbon neutrality context. Thus, the research findings are aggregated into narratives: the two complementary storylines focus on technologies for net-zero CO 2 emissions and on different framing conditions for implementing net-zero CO 2 measures. Moreover, we outline the Net-Zero-2050 results emerging from the two storylines by presenting the resulting narratives in the context of carbon neutrality in Germany. Aiming at creating insights into how complementary and related expertise can be combined in teams across disciplines, we conclude with the project’s lessons learned. This paper sheds light on how to facilitate cooperation between different science disciplines with the purpose of preparing joint research results that can be communicated to a specific audience. Additionally, it provides further evidence that interdisciplinary and diverse research teams are an essential factor for defining solution spaces for complex, interdisciplinary problems.

Es werden mögliche Beiträge geologischer und mariner Kohlenstoffspeicher für die Vermeidung von CO2-Emissionen in die Atmosphäre oder für die Entnahme von bereits emittiertem CO2 aus der Atmosphäre vorgestellt. Neben der Einlagerung von CO2 in geologischen Speichern unter Land und unter dem Meeresboden werden eine forcierte CO2-Entnahme aus der Atmosphäre und Abgabe in den Ozean durch Erhöhung der Alkalinität, durch Ozeandüngung und durch das Management vegetationsreicher Küstenökosysteme untersucht. Alle Optionen können sowohl global als auch aus deutscher Perspektive eine Rolle für das Erreichen der Klimaziele spielen. Umweltverträglichkeit, Permanenz der Speicherung sowie infrastrukturelle und rechtliche Voraussetzungen, gesellschaftliche Akzeptanz und wirtschaftliche Realisierbarkeit bedürfen für alle Ansätze weiterer Klärung, bevor hieraus realisierbare Optionen werden können.

Die schnelle und umfassende Emissionsminderung in der Energie- und Kreislaufwirtschaft ist der Schlüssel für die Begrenzung der Erderwärmung auf unter 2 °C. In Deutschland werden entsprechende Politiken seit den 1990er-Jahren verfolgt, allerdings erst in jüngster Vergangenheit mit dem notwendigen Nachdruck und der notwendigen Orientierung hin zu mehr Marktmechanismen. Wesentliche Handlungsfelder sind Energieeinsparung und erhöhte Energieeffizienz, Umstieg auf erneuerbare Energien, Bepreisung von Klimagasen sowie eine Reduzierung und Schließung der Stoffkreisläufe. In allen Handlungsfeldern sind Grundlagen geschaffen, es bleibt jedoch der Großteil des Weges noch zu gehen, um Klimaneutralität zu erreichen. Für einen schnellen Fortschritt spielen neben der Überwindung der technischen, ökonomischen und organisatorischen Herausforderungen auch Verteilungsfragen und die Einbettung in internationale Maßnahmen eine zunehmende Rolle.

Es besteht Einvernehmen, dass die hohe Komplexität des Wärmesystems das zentrale Hindernis für die Wärmewende darstellt: Der Wärmebedarf im Industrie- und Gebäudesektor ist durch unterschiedliche Temperatur- und Nachfrageprofile aber auch durch verschiedene Geschäftsmodelle gekennzeichnet. Im Gebäudebereich sind darüber hinaus auch die vielfältigen Erwartungen und Präferenzen der Millionen von Investoren und Nutzern entscheidend, die über rein techno-ökonomische Überlegungen hinausgehen. Diese Systemkomplexität erschwert die Entwicklung von Strategien im Wärmesektor und hemmt unter anderem auch die Möglichkeiten für Technologieentwickler das Marktpotenzial ihrer Innovationen einzuschätzen. Fragen der Akzeptanz müssen folglich auf mehreren Ebenen Berücksichtigung finden, von Fragestellungen der Gesamtsystemanalyse bis hin zu einzelnen Umsetzungsprojekten. Entsprechend vielfältig ist die Forschung zur gesellschaftlichen Akzeptanz der Wärmwende im FVEE. Sie umfasst sowohl die Analyse von Nutzerpräferenzen bis hin zur gemeinsamen Gestaltung von Energiewendeprojekten, um die Gelingensbedingungen zu verbessern. Allen Ansätzen ist gemein, dass die vorherrschende technisch-ökonomische Betrachtung der Wärmewende erweitert wird: Es wird nach Faktoren geforscht, welche die Nutzer*innen beeinflussen und es werden gezielt Bereiche untersucht, welche das Potenzial für zukünftige Akzeptanzkonflikte haben. Des Weiteren gibt es Ansätze, die Akzeptanzfragen bereits im Entwicklungsprozess von Innovationen zu berücksichtigen. Abschließend, in Bezug auf die konkrete Umsetzung von Wärmetransformationsprojekten, werden verschiedene Methoden des Co-Designs entwickelt, erforscht und getestet. Im Folgenden werden einzelne Projekte aus den verschiedenen Bereichen vorgestellt.

The campus of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) contains several waste heat streams. In an effort to reduce greenhouse gas emissions by optimizing thermal power consumption on the campus, researchers at the KIT are proposing a ‘DeepStor’ project, which will sequester waste heat from these streams in an underground reservoir during the summer months, when the heat is not required. The stored heat will then be reproduced in the winter, when the campus’s thermal power demand is much higher. This paper contains a preliminary geochemical risk assessment for the operation of this subsurface, seasonal geothermal energy storage system. We used equilibrium thermodynamics to determine the potential phases and extent of mineral scale formation in the plant’s surface infrastructure, and to identify possible precipitation, dissolution, and ion exchange reactions that may lead to formation damage in the reservoir. The reservoir in question is the Meletta Beds of the Upper Rhein Graben’s Froidefontaine Formation. We modeled scale- and formation damage-causing reactions during six months of injecting 140 °C fluid into the reservoir during the summer thermal storage season and six months of injecting 80 °C fluid during the winter thermal consumption season. Overall, we ran the models for 5 years. Anhydrite and calcite are expected mineral scales during the thermal storage season (summer). Quartz is the predicted scale-forming mineral during the thermal consumption period (winter). Within ~20 m of the wellbores, magnesium and iron are leached from biotite; calcium and magnesium are leached from dolomite; and sodium, aluminum, and silica are leached from albite. These reactions lead to a net increase in both porosity and permeability in the wellbore adjacent region. At a distance of ~20–75 m from the wellbores, the leached ions recombine with the reservoir rocks to form a variety of clays, i.e., saponite, minnesotaite, and daphnite. These alteration products lead to a net lo

Germany 2050: For the first time Germany reached a balance between its sources of anthropogenic CO2 to the atmosphere and newly created anthropogenic sinks. This backcasting study presents a fictional future in which this goal was achieved by avoiding (∼645 Mt CO2), reducing (∼50 Mt CO2) and removing (∼60 Mt CO2) carbon emissions. This meant substantial transformation of the energy system, increasing energy efficiency, sector coupling, and electrification, energy storage solutions including synthetic energy carriers, sector-specific solutions for industry, transport, and agriculture, as well as natural-sink enhancement and technological carbon dioxide options. All of the above was necessary to achieve a net-zero CO2 system for Germany by 2050.

Mit dem European Green Deal hat Europa seine Klimaschutzziele nach oben korrigiert und einen weiteren, erforderlichen Schritt auf dem Weg zur Dekarbonisierung unternommen. Die neuen europäischen Zielvorgaben sind in Deutschland mit der Verabschiedung des Klimaschutzgesetzes seit Ende 2019 schon verbindlich festgeschrieben, wobei hier bereits spezifische CO2-Budgets für die Einzelsektoren definiert werden. Die Umsetzung dieser Ziele verlangt eine radikale Transformation des heutigen Energieversorgungssystems. Der Umbau des komplexen und heterogenen Wärmebereiches stellt dabei eine der größten Herausforderung dar: Wärme ist in Europa für über 50 % des Endenergieverbrauches verantwortlich, wird aber gegenwärtig nur zu 22 % aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt. Aus geoklimatischen, kulturellen und politischen Gründen sind dabei die Anteile in den einzelnen europäischen Ländern sehr unterschiedlich. Unter den Spitzenreitern sind Schweden (66 %) und Dänemark (48 %). Unser Nachbarland Österreich erreicht immerhin 34 %. Im Vergleich dazu liegt Deutschland mit 15 % abgeschlagen auf einem hinteren Platz. Der verstärkte Einsatz erneuerbarer Energien ist neben der Steigerung der Energieeffizienz die tragende Säule der Wärmewende, wobei hier ein breiter Mix an Technologien gefragt ist. Die direkte Nutzung der Wärmetechnologien hat weiterhin Priorität, erfordert aber eine stark beschleunigte Erschließung der vorhandenen Potenziale sowie einen nachhaltigen Umgang mit wertvoller Biomasse. Die Sektorenkopplung bietet die notwendige Ergänzung für die geplante Transformation (BMWi, 2021). Solarenergie in Form von Solarwärme und Solarstrom wird somit in Kombination mit Umweltwärme eine zentrale Rolle im zukünftigen Wärme- und Kälteversorgungssystem spielen. Darauf fokussiert sich der Beitrag, wobei die spezifische Situation der Niedertemperatur-Solarthermie und der Schlüsseltechnologie Wärmepumpe adressiert werden.

HT-ATES (high-temperature aquifer thermal energy storage) systems are a future option to shift large amounts of high-temperature excess heat from summer to winter using the deep underground. Among others, water-bearing reservoirs in former hydrocarbon formations show favorable storage conditions for HT-ATES locations. This study characterizes these reservoirs in the Upper Rhine Graben (URG) and quantifies their heat storage potential numerically. Assuming a doublet system with seasonal injection and production cycles, injection at 140 °C in a typical 70 °C reservoir leads to an annual storage capacity of up to 12 GWh and significant recovery efficiencies increasing up to 82% after ten years of operation. Our numerical modeling-based sensitivity analysis of operational conditions identifies the specific underground conditions as well as drilling configuration (horizontal/vertical) as the most influencing parameters. With about 90% of the investigated reservoirs in the URG transferable into HT-ATES, our analyses reveal a large storage potential of these well-explored oil fields. In summary, it points to a total storage capacity in depleted oil reservoirs of approximately 10 TWh a-1, which is a considerable portion of the thermal energy needs in this area.

Some of the major geothermal anomalies in central Europe are linked to tectonic structures within the top of crystalline basement, which modify strongly the top of this basement. Their assessment is a major challenge in exploration geophysics. Gravity has been proven to be suitable for the detection of mainly large scale lithological and structural inhomogeneities. Indeed, it is well known and proven by different wells that, for example, in northern Switzerland extended negative anomalies are linked to such structures. Due to depth limitation of wells, there vertical extension is often unknown. In this study, we have investigated the potential of gravity for the geometrical characterization of such basement structures. Our approach consists in the combination of the series of Butterworth filters, geological modelling and best-fitting between observed and computed residual anomalies. In this respect, filters of variable wavelength are applied to observed and computed gravity data. The geological model is discretized into a finite element mesh. Near-surface anomalies and the effect of the sedimentary cover were eliminated using cut-off wavelength of 10km and geological and seismic information. We analysed the potential of preferential Butterworth filtering in a sensitivity study and applied the above mentioned approach to part of the Swiss molasses basin. Sensitivity analyses reveal that such sets of residual anomalies represents a pseudo-tomography revealing the distribution of different structures with depth. This finding allows for interpreting negative anomalies in terms of 3-D volumes. Best-fitting then permits determination of the most likely 3-D geometries of such basement structures. Our model fits both, geological observations and gravity: among 10 deep boreholes in the studied area, six reach the respective units and confirm our distribution of the negative (and positive) anomalies

Cet aperçu présente les connaissances actuelles sur les ressources en eau thermale des aquifères carbonatés, expose les processus géochimiques créant la porosité des réservoirs ainsi que les diverses modes d’utilisation de ces ressources, tels établissements thermaux, énergie géothermique, séquestration du CO2). Les aquifères carbonatés constituent probablement les réservoirs d’eau thermale les plus importantes hors zones volcaniques. Plusieurs processus regroupés sous le terme spéléogénèse contribuent à la formation de la porosité: remobilisation de la calcite, corrosion induite par flux de drainance, dissolution par acides terrigènes d’origine profonde. Des eaux thermales et minérales karstiques alimentent des stations thermales dans le monde entier, tels les fameux bains de Budapest, Hongrie. Des installations géothermiques utilisent ces ressources pour la production d’électricité, le chauffage urbain et autres usages, avec faibles émissions de CO2) et occupation du sol restreinte, e.g. la plus grande installation géothermique d’Allemagne, à Unterhaching près Munich. Faille régionale et champs de fractures sont souvent les zones les plus productives, mais quelques fois difficiles à localiser en raison de l’incertitude relativement forte de la recherche. Des dispositifs géothermiques sur roches carbonatées profondes pourraient aussi être utilisés pour la séquestration du CO2) (le gaz dissolvant le carbonate et augmentant de ce fait la porosité du réservoir). L’utilisation de dispositifs géothermiques à cette fin devrait être d’avantage explorée., The current knowledge on thermal water resources in carbonate rock aquifers is presented in this review, which also discusses geochemical processes that create reservoir porosity and different types of utilisations of these resources such as thermal baths, geothermal energy and carbon dioxide (CO2) sequestration. Carbonate aquifers probably constitute the most important thermal water resources outside of volcanic areas. Several processes contribute to the creation of porosity, summarised under the term hypogenic (or hypogene) speleogenesis, including retrograde calcite solubility, mixing corrosion induced by cross-formational flow, and dissolution by geogenic acids from deep sources. Thermal and mineral waters from karst aquifers supply spas all over the world such as the famous bath in Budapest, Hungary. Geothermal installations use these resources for electricity production, district heating or other purposes, with low CO2) emissions and land consumption, e.g. Germany’s largest geothermal power plant at Unterhaching near Munich. Regional fault and fracture zones are often the most productive zones, but are sometimes difficult to locate, resulting in a relatively high exploration uncertainty. Geothermal installations in deep carbonate rocks could also be used for CO2) sequestration (carbonate dissolution would partly neutralise this gas and increase reservoir porosity). The use of geothermal installations to this end should be further investigated.

Some of the major geothermal anomalies in central Europe are linked to tectonic structures within the top of crystalline basement, which modify strongly the top of this basement. Their assessment is a major challenge in exploration geophysics. Gravity has been proven to be suitable for the detection of mainly large scale lithological and structural inhomogeneities. Indeed, it is well known and proven by different wells that, for example, in northern Switzerland extended negative anomalies are linked to such structures. Due to depth limitation of wells, there vertical extension is often unknown. In this study, we have investigated the potential of gravity for the geometrical characterization of such basement structures. Our approach consists in the combination of the series of Butterworth filters, geological modelling and best-fitting between observed and computed residual anomalies. In this respect, filters of variable wavelength are applied to observed and computed gravity data. The geological model is discretized into a finite element mesh. Near-surface anomalies and the effect of the sedimentary cover were eliminated using cut-off wavelength of 10km and geological and seismic information. We analysed the potential of preferential Butterworth filtering in a sensitivity study and applied the above mentioned approach to part of the Swiss molasses basin. Sensitivity analyses reveal that such sets of residual anomalies represents a pseudo-tomography revealing the distribution of different structures with depth. This finding allows for interpreting negative anomalies in terms of 3-D volumes. Best-fitting then permits determination of the most likely 3-D geometries of such basement structures. Our model fits both, geological observations and gravity: among 10 deep boreholes in the studied area, six reach the respective units and confirm our distribution of the negative (and positive) anomalies