Erdwärme nutzen 26.04.2023, 13:09 Uhr

Tiefengeothermie: Ist Wärme aus der Tiefe eine Lösung für nachhaltige Energieversorgung?

Tiefengeothermie kann in Zukunft mindestens ein Viertel des jährlichen Wärmebedarfs in Deutschland decken – zu diesem Ergebnis kommen Helmholtz-Gemeinschaft und Fraunhofer Gesellschaft. Grund genug, uns einmal etwas näher mit den Möglichkeiten der im tiefen Untergrund gespeicherten Erdwärme zu beschäftigen.

geothermisches Kraftwerk

Geothermisches Kraftwerk auf Island - aus den Schornsteinen strömt Wasserdampf.

Foto: Panthermedia.net/VisualProductions (YAYMicro)

Die meisten der sich in Betrieb befindlichen geothermischen Technologien arbeiten bei niedrigen Temperaturen von unter 25 Grad Celsius, nur wenige bei mittleren Temperaturen bis 80 Grad Celsius. Um die Ziele der Wärmewende zu erreichen, soll es weiter in die Tiefe gehen, wo 100 Grad Celsius und mehr herrschen. Die ersten hydrothermalen Kraftwerke gibt es bereits in Süddeutschland, das Karlsruher Institut für Technologie forscht derzeit an Wärmespeichern in der Tiefe, außerdem gibt es noch die Möglichkeit der petrothermalen Energiegewinnung. Allerdings gibt es auch kritische Stimmen und mögliche Gefahren durch Geothermie in der Tiefe.

Was bedeutet Tiefengeothermie?

Während sich oberflächennahe Geothermie in einer Tiefe von bis zu 400 Metern abspielt, geht es bei der Tiefengeothermie wesentlich weiter runter ins Erdreich – auf 3000 bis 5000 Meter. Dort ist es zwischen 100 und 180 Grad Celsius warm, ab einer Temperatur von etwa 90 Grad Celsius lohnt sich neben der Wärmeversorgung auch eine wirtschaftliche Stromerzeugung. Die geothermische Stromerzeugung steht in Deutschland jedoch noch ganz am Anfang, es sind nur wenige Anlagen bislang in Betrieb. Vor allem in Süd- und Südwestdeutschland.

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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Wärme aus der Tiefe zu nutzen. So lassen sich zum Beispiel heiße Thermalquellen anzapfen und das warme Wasser an die Oberfläche transportieren. Wo kein Thermalwasser vorhanden ist, kann auch kaltes Wasser in die Tiefe gepumpt werden, wo es sich erwärmt. Anschließend lässt es sich wieder nach oben pumpen. Es gibt aber auch die Möglichkeit, an der Oberfläche im Sommer durch regenerative Energien produzierte Wärme in den Untergrund zu bringen und dort für den Winter zu speichern. Der große Vorteil von Tiefengeothermie: Sie funktioniert das ganze Jahr, denn in einigen tausend Metern Tiefe ist es nahezu immer gleich warm.

Hydrothermale Geothermie

Die hydrothermale Geothermie ist eine Technologie, die natürliche Heißwasservorkommen im tiefen Untergrund nutzt, die Temperaturen von 40 bis über 100 Grad Celsius aufweisen. Es gibt aber auch hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen von 100 bis 250 Grad Celsius. Üblicherweise erfolgt die Erschließung durch zwei Bohrungen, die als „Doublette“ bezeichnet werden. Über diese Bohrungen wird das heiße Wasser gefördert und nachhaltig in den Aquifer zurückgeleitet. Die Bohrungen gehen 2.000 bis 4.000 Meter in die Tiefe.

Die gewonnene Wärmeenergie kann direkt über Wärmetauscher an den Heiznetzkreislauf übertragen werden, wenn die Temperaturen ausreichend hoch sind. Andernfalls müssen Wärmepumpen zwischengeschaltet werden. Bei Temperaturen von über 80°C und ausreichender Ergiebigkeit kann auch eine geothermische Stromerzeugung durchgeführt werden. Eine Nutzung in Kraft-Wärme-Kopplung ist ökologisch und ökonomisch von Vorteil.

Ein Sonderfall der hydrothermalen Geothermie ist die balneologische Nutzung von warmen oder heißen Tiefenwässern in Thermalbädern. Eine hydrothermale Geothermie ist nur in bestimmten Gegenden in Deutschland wie zum Beispiel entlang des Oberrheingrabens, der Bayrischen Molasse oder dem Norddeutschen Becken möglich.

Tiefengeothermie

Heißes Wasser wird an die Erdoberfläche gefördert und für die Wärmeversorgung und/oder Stromerzeugung verwendet, abgekühltes Wasser fließt zurück in die wasserführende Schicht.

Foto: GFZ Potsdam

Petrothermale Geothermie

Die petrothermale Energiegewinnung nutzt heiße, trockene oder gering durchlässige Tiefengesteine, um eine hydraulische Verbindung zwischen mindestens zwei Bohrungen herzustellen. Dazu werden künstliche Risse erzeugt oder natürliche Rissflächen aufgeweitet. Diese Risse dienen als Wärmetauscherflächen, so dass kühles Wasser in einer Bohrung verpresst und in den anderen Bohrungen als Heißwasser wieder gefördert werden kann. Dieses Verfahren wird meist als Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) bezeichnet. Andere Bezeichnungen sind Deep Heat Mining (DHM), Hot Wet Rock (HWR), Hot Fractured Rock (HFR) oder Stimulated Geothermal System (SGS). Der umfassende Begriff für derartige Systeme ist Enhanced Geothermal Systems (EGS).

Eine weitere Technologie sind tiefe Erdwärmesonden, die in Bohrungen von mehr als 400 Metern Tiefe installiert werden. Ein Wärmeträgermedium zirkuliert in vertikal geschlossenen Wärmetauschern. Die Leistung der tiefen Erdwärmesonden beträgt in der Regel nur wenige hundert Kilowatt, was wesentlich geringer ist als bei offenen Systemen. Aufgrund der hohen Kosten für eine Tiefbohrung bieten sich tiefe Erdwärmesonden vor allem dort an, wo bereits eine nicht genutzte Tiefbohrung vorhanden ist, beispielsweise in einer nicht fündigen hydrothermalen Geothermie-Bohrung.

Hochtemperatur-Wärmespeicherung im tiefen Untergrund

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeitet an einem vielversprechenden Projekt namens DeepStor. Ziel dieses Projekts ist es, herauszufinden, wie überschüssige Erdwärme im Untergrund gespeichert werden kann. „Bereits mit heute verfügbarer Technologie könnte Geothermie ein Viertel des deutschen Wärmebedarfs decken“, sagt Eva Schill, die am Institut für Nukleare Entsorgung des KIT forscht. Und mit der nächsten Technikgeneration, prognostiziert die Geologin, könne der Anteil auf etwa 50 Prozent steigen. „Unter unseren Füßen können wir aber nicht nur Energie gewinnen, wir können sie dort auch speichern.“

Professorin Schill und ihr Team arbeiten an der Erforschung von Hochtemperatur-Aquifer-Speichern. Obwohl die Technologie zur Speicherung von Wärme im Untergrund bereits ausgereift ist und in vielen Ländern kommerziell genutzt wird, liegt der Fokus der Forscherin auf dem Temperaturbereich von über 100 Grad Celsius. Im Vergleich zu den üblichen Niedrigtemperatur-Bereichen bis etwa 50 Grad Celsius bringt das einige Vorteile mit sich.

Insbesondere lassen sich Hochtemperatur-Aquifer-Speicher nahtlos in viele der bestehenden Fernwärmenetze in Deutschland einbinden, die bei 110 Grad Celsius arbeiten. Außerdem stellen hohe Vorlauftemperaturen weniger Ansprüche an die Bausubstanz der Gebäude, die an das Wärmenetz angeschlossen sind. Dadurch wäre es auch für Altbauten möglich, auf effiziente Weise mit Wärme versorgt zu werden.

Welche Gefahren birgt Tiefengeothermie?

Geothermie stößt in der Bevölkerung nicht immer auf Begeisterung. Es gibt Vorbehalte und Ängste, die sich nicht selten in Bürgerbegehren manifestieren. Diese Ängste betreffen unter anderem die Sicherheit des Trinkwassers oder die Freisetzung des radioaktiven Gases Radon, das sich im Untergrund befindet. Auch gibt es Ängste bezüglich künstlicher Erdbeben oder einer dauerhaften Lärmbelästigung durch den Bohr- und Kraftwerksbetrieb.

Mögliche Gefahren durch künstliche Erdbeben?

In Graben-Neudorf, einer Kleinstadt zwischen Karlsruhe und Mannheim wird gerade gebohrt – bis in eine Tiefe von 3.700 Metern soll es gehen. Zwischen 10 bis 12 Millionen Euro soll die Bohrung kosten. Ist das hydrothermale Kraftwerk fertig, soll es etwa acht Megawatt Strom produzieren. Etwa so viel wie sechs bis acht Windkraftanlagen an Land. Einige Anwohner sind jedoch mehr als skeptisch, haben eine Bürgerinitiative gegründet. Sie haben insbesondere Angst vor künstlichen Erdbeben, zumal sie sowieso in einem Erdbebengebiet wohnen.

Der Betreiber sieht diese Gefahr nicht, erstens würden sie in Gesteinszonen bohren, die nicht anfällig für Erdbeben seien. Zweitens käme bei der Bohrung neueste Technik zum Einsatz, welche die Anlage sofort runterregelt, sobald seismische Aktivitäten spürbar seien. Die Schwelle liege so niedrig, dass sie einem LKW ähnelt, der vor der Haustür vorbeifährt. Ein Blick einige Kilometer nach Süden, in den Elsass, zeigt allerdings, dass geothermische Bohrungen durchaus kleinere Erdbeben auslösen können.

Es geht um das Geothermiekraftwerk in Vendenheim. Hier zeigten sich nach Bohrungen an mehreren hundert Häusern feine Risse. Eine Schadensregulierung steht in den Sternen, da es sich dabei nicht um eine natürliche Ursache handelt. Es muss daher geklärt werden, was tatsächlich im Elsass passiert ist. Auf jeden Fall handelt es sich dabei um ein petrothermales Kraftwerk und kein hydrothermales wie in Graben-Neudorf. Dort gibt es kein Thermalwasser, stattdessen wird Wasser mit hohem Druck in den Untergrund gepumpt – ähnlich wie beim Fracking.

Mögliche Gefahren für das Grundwasser?

Kritiker der Geothermie sehen ein weiteres Risiko im Thermalwasser selbst, das aus der Tiefe hochgepumpt wird. Dieses Wasser kann Schwefelwasserstoff, Borsäure, Ammoniak, Arsen, Quecksilber oder auch radioaktive Substanzen enthalten. Im Falle eines Unfalls könnte das Grundwasser durch Verunreinigungen gefährdet werden. Einige Betreiber geben auch säurehaltige Substanzen in den Thermalwasserkreislauf, um Verkalkungen und Rostbildung an Rohren und Pumpen zu vermeiden.

„Viele Wässer sind hoch mineralisiert. Wenn sie an die Oberfläche befördert werden, verlieren sie Druck und Temperatur und es kommt zu Ausfällungen. Schon gar, wenn Sauerstoff dazutritt oder die Wässer entgasen können. Deshalb werden die Wässer in einem geschlossenen Kreislauf gehalten übertägig, damit kein Gasaustausch stattfinden kann“, erläutert Ingrid Stober, Geologin an der Universität Freiburg.

Mitunter bringt das Wasser aus der Tiefe aber auch begehrte Stoffe mit nach oben: In Bruchsal betreibt der badische Energieversorger EnBeWe ein Geothermiekraftwerk, das nicht nur Erdwärme, sondern auch Lithium fördert. Dieser begehrte Stoff für Akkus von Elektroautos ist im Thermalwasser gelöst und wird herausgefiltert. Angeblich soll aus dem Thermalwasser genug Lithium gewonnen werden können, um jährlich 20.000 Akkus für Elektroautos zu bestücken.

Potenzial von Tiefengeothermie?

Die Bundesregierung hat das Ziel, bis 2030 die Hälfte der kommunalen Wärme aus klimaneutralen Quellen zu beziehen. Die Tiefengeothermie kann einen großen Beitrag zur Erreichung dieses Ziels leisten, da sie beständig und witterungsunabhängig Energie lokal liefert und nur wenig Fläche in Siedlungen belegt.  Eine gemeinsame Roadmap von Einrichtungen der Helmholtz-Gemeinschaft, einschließlich des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), und der Fraunhofer-Gesellschaft zeigt, dass die Tiefe Geothermie ein Marktpotenzial in Deutschland besitzt, welches den Ausbau von mehr als einem Viertel des jährlichen deutschen Wärmebedarfs (über 300 TWh) ermöglicht.

„Ohne Geothermie wird eine Dekarbonisierung des Wärmesektors in Deutschland nicht möglich sein. Die natürlichen Wärmepotenziale im Untergrund sind hierfür in den meisten urbanen Räumen vorhanden. Der nachhaltige Ausbau von Geothermie ist eine Investition in die Städte unserer Zukunft“, sagt Professor Ingo Sass, Leiter der Sektion „Geoenergie“ am Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ). „Die Forschungseinrichtungen der Helmholtz-Gemeinschaft tragen mit ihren strategisch ausgerichteten Arbeitsprogrammen und ihren einzigartigen Forschungsinfrastrukturen wie beispielsweise dem zukünftigen Untertage-Forschungslabor GeoLaB maßgeblich zum Gelingen der Transformation bei“, so Sass weiter.

Der Fokus liege laut Pressemitteilung des KIT auf den hydrothermalen Reservoiren, d.h. Thermalwasser führenden Gesteinen in Tiefen von 400 bis 5.000 Metern. Aus derart tiefen Bohrungen können geothermale Wässer bei Temperaturen zwischen 15 und 180 Grad Celsius gefördert werden. Diese Wässer sind unabhängig von Jahres- und Tageszeiten verfügbar und eignen sich insbesondere für Nah- und Fernwärme sowie für Niedrigtemperaturprozesse in der Industrie. Die Technologie sei ausgereift und wird seit Jahrzehnten in vielen europäischen Städten angewendet, darunter Paris und München.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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