Geothermie

In einer Presseerklärung (IGA News No. 76, 2009, www.geothermal-energy.org) des ″Renewable Energy Policy Network for the 21st Century″ steht, dass die Erneuerbaren Energien weltweit im Jahr 2008 gegenüber 2007 um 16% angestiegen sind. In Europa und den USA stieg erstmalig der Anteil an Erneuerbaren Energien stärker an als derjenige konventioneller Energien. In weit über 60 Ländern werden mittlerweile die Erneuerbaren Energien politisch und finanziell unterstützt. Der steile Aufwärtstrend hält an. Weltweit wurden im Jahre 2011 1.285 GWel aus Erneuerbaren Energien bereitgestellt; das sind 24,8% (U.S. DEPARTMENT OF ENERGY 2011).

Geothermische Energie, Wärme aus dem „Schoß der Mutter Erde“, ist eine dem Menschen schon seit vielen 1000 Jahren bekannte Energiequelle. Die Thermalwässer und heißen Quellen wurden nicht nur für praktische Zwecke, wie zum Baden, für Trinkkuren, zur Gewinnung von Gasen oder Mineralsalzen durch Eindampfen, um Essen zuzubereiten oder für Heizzwecke genutzt, sondern sie hatten weltweit zuerst insbesondere eine religiöse oder mythische Bedeutung. Sie waren Sitz von Göttern, verkörperten Götter oder hatten göttliche Kräfte.

Physikalisch betrachtet ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Es gibt verschiedene Energieformen. Man unterscheidet zwischen mechanischer Energie (kinematische oder potentielle Energie), thermischer, elektrischer und chemischer Energie (BINE Informationsdienst 2003). Als Wärme ist die Energie die ungeordnete Bewegung molekularer Teilchen. Als elektrischer Strom ist sie die gerichtete Bewegung geladener Teilchen. Als Strahlung ist sie elektromagnetische Welle.

Die einzelnen Energieformen können zumindest zum Teil auch ineinander übergeführt bzw. umgewandelt werden. Aus chemischer Energie wird beispielsweise im Verbrennungsmotor Bewegungsenergie. Aus Sonnenlicht wird in der Photovoltaikanlage elektrischer Strom.

Die unterschiedliche Tiefenlage der Wärmegewinnung und Nutzungsmöglichkeit der geothermischen Energie bedingt heute eine Unterteilung in oberflächennahe und tiefe geothermische Systeme. Der Übergang ist allerdings fließend. Eine Unterscheidung zwischen tiefer und oberflächennaher Geothermie ist jedoch deshalb sinnvoll, weil neben den unterschiedlichen Techniken zur Energiegewinnung unterschiedliche geowissenschaftliche Parameter zur Beschreibung der Nutzungsmöglichkeiten erforderlich sind (WM 2008, BMU 2009).

Die tiefe Geothermie umfasst Systeme, bei denen die geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird und deren Energie unmittelbar (d.h. ohne Niveauanhebung) genutzt werden kann.

Geothermie ist eine erneuerbare Energiequelle, dem Auskühlen durch technische Systeme folgt stets ein Nachfließen von Wärme aus tieferen Schichten oder von der Oberfläche. Die Quellen, aus denen sich diese Wärmeströme speisen, der Wärmestrom aus dem Erdinnern, der radioaktive Zerfall in der Erdkruste, die Sonnenstrahlung, sind in menschlichen Zeiträumen unerschöpflich (Abschnitt 1.3). Die Frage, ob die Nutzung von Erdwärme nachhaltig ist, ob sie also auch künftigen Generationen zur Verfügung steht, lässt sich dagegen nicht pauschal beantworten, sondern sie stellt sich in jedem Einzelfall neu abhängig vom Systemkonzept und der Dimensionierung der Anlage.

Die Nutzung oberfächennaher Geothermie ist insbesondere unter dem Aspekt der niedrigen, zur Verfügung stehenden Temperaturen zu betrachten. Um oberflächennahe Geothermie zur Beheizung von Gebäuden nutzen zu können, ist daher der Einsatz einer Wärmepumpe unerlässlich, denn aus dem Untergrund können nur einige wenige Grad Celsius Temperatur gewonnen, bzw. nur eine geringe Wärmemenge entzogen werden. Die höchsten mit oberflächennahen geothermischen Nutzungen durch Erdwärmesonden gewinnbaren Temperaturen liegen in Anhängigkeit von der Sondentiefe und den natürlichen Gegebenheiten in der Größenordung von etwa 10 - 12˚C. Die Temperaturanhebung auf die gewünschten Temperaturen besorgt dann die Wärmepumpe. Die meisten Wärmepumpen werden heutzutage mit Strom betrieben, und Strom ist ″kostspielig″, wird er doch unter erheblichen Verlusten zumeist aus Nicht-Erneuerbaren-Energieträgern hergestellt.

In Bereichen, in denen gut durchlässige Grundwasserleiter vorliegen und in denen das Grundwasser bis knapp unter der Erdoberfläche ansteht und in entsprechender Güte zur Verfügung steht, bietet es sich an, eine geothermische Brunnenanlage (Abb. 7.1) zur oberflächennahen energetischen Nutzung der Erdwärme als Entzugsquelle zum Betrieb einer Wärmepumpe zu installieren (Abschnitt 4.1). Synonyme Begriffe sind Zweibrunnensysteme, Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlagen oder Grundwasserwärmepumpe. In jedem Fall handelt es sich um eine unmittelbare Nutzung von oberflächennahem Grundwasser zur Energiegewinnung. Diese Art der Nutzung von Erdwärme durch unmittelbare Nutzung von Grundwasser kann energetisch besonders effizient sein, da durch die direkte Nutzung des Grundwassers als Wärmeträgermedium nur geringe Wärmetauscherverluste entstehen und da oberflächennahe Grundwasserströme wegen der relativen Konstanz der Quelltemperatur sehr gut geeignet sind, um daraus mittels einer Wärmepumpe Energie zu gewinnen. Zudem bietet die direkte Grundwassernutzung zur Wärmegewinnung mittels Wärmepumpen oder zur Kühlung gegenüber der meist rein konduktiven Erdwärmenutzung durch Erdwärmesonden energetische und finanzielle Vorteile. Voraussetzung zur Direktnutzung ist neben der Verfügbarkeit und adäquaten Erschließbarkeit geeigneten Grundwassers auch die Begrenzung der thermischen Beeinflussung des Grundwassers.

Bei den hydrothermalen Systemen wird zwischen Systemen mit niedriger und hoher Enthalpie (Wärmeinhalt) unterschieden. Beim ersten System erfolgt eine Nutzung des im Untergrund vorhandenen warmen oder heißen Wassers entweder direkt oder über Wärmetauscher zur Speisung von Nah- oder Fernwärmenetzen, zur industriellen bzw. landwirtschaftlichen Nutzung oder für balneologische Zwecke. Bei Temperaturen über 120˚C ist eine wirtschaftlich vertretbare Stromproduktion möglich. Das thermale, warme oder heiße Wasser entstammt Grundwasserleitern (Aquifere). Beim zweiten System sind die Temperaturen so hoch, dass eine direkte Nutzung von Dampf oder einem Zweiphasenfluid zur Stromerzeugung möglich ist (Abschnitt 4.2).

Mit dem Enhanced-Geothermal-System (EGS) soll der tiefere Untergrund als Wärmequelle zur Stromerzeugung und Wärmegewinnung genutzt werden (Abschn. 4.2). Synonyme sind Hot-Dry-Rock (HDR) oder Deep-Heat-Mining (DHM). Der Begriff HDR stammt aus der Anfangsphase dieser Technologie-Entwicklung, in der man noch von „trockenen“ Verhältnissen in großer Tiefe im kristallinen Grundgebirge, also im Wesentlichen in Graniten und Gneisen, ausging. Alle Tiefbohrungen, auch diejenige auf der Halbinsel Kola mit 12,7 km tiefste Bohrung der Welt, zeigten jedoch, dass die obere Erdkruste zumindest „feucht“, manchmal aber auch „nass“ sein kann. Die obere Erdkruste ist grundsätzlich mehr oder weniger stark geklüftet. Die Klüfte sind teilweise offen; in ihnen zirkuliert ein salinares, oft gasreiches Fluid (Ingebritsen und Manning 1999; Stober und Bucher 2007).

Die Umwandlung in Strom oder Nutzwärme ist frei von CO2- und Rauchgasemissionen wie Russpartikeln, Schwefel- und Stickoxiden. Der Betrieb von Geothermieanlagen ist prinzipiell sehr umweltverträglich. Im Normalbetrieb, wie auch bei Störfällen sind schädliche Umwelteinflüsse von technischer Seite durch die Verwendung von hochwertigen Baumaterialien und einer sehr ausgereiften Technik mit zahlreichen Sicherungseinrichtungen nahezu ausgeschlossen.

Mit dem Bau von Geothermieanlagen und -kraftwerken sind -wie auch beim Bau anderer Kraftwerke-, mit der Herstellung der erforderlichen Baumaterialien sowie den notwendigen Transport- und Dienstleistungen CO2-Emissionen verbunden. Diese gilt es vor und während der Baumaßnahmen durch sorgfältige Planung so gering wie möglich zu halten.

Die Bohrkosten in der Tiefengeothermie machen bis zu 70 % der Gesamtkosten eines Geothermieprojektes aus. Die in der Tiefengeothermie zum Einsatz kommende Bohrtechnologie stammt größtenteils aus der Erdölindustrie. In der Geothermie ergeben sich jedoch aus der Kombination von hohen Temperaturen, großen Volumenströmen sowie des teilweise hohen Gehalts an aggressiven Bestandteilen im Wasser weitergehende Anforderungen an die Bohrtechnologie. Die Bohrdurchmesser sind wegen der Volumenströme größer. Anders als Erdöl- und Erdgasbohrungen müssen Geothermiebohrungen eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren nachweisen und heißes, meist hoch mineralisiertes Thermalwasser fördern bzw. wieder in das Reservoir zurückleiten, wobei im Gegensatz zur Kohlenwasserstoff-Industrie (KW-Industrie) das heiße Wasser bei der Förderung direkt in der Bohrung entlang der Verrohrung hoch zur Pumpe strömt. Die Kosten von Geothermiebohrungen sind daher deutlich höher, um den Faktor 2–5, im Vergleich zur KW-Industrie (Teodoriu und Falcone 2009).

Geophysikalische Untersuchungsverfahren erlauben einen indirekten Einblick in den Untergrund. Es wird zwischen Verfahren von der Erdoberfläche aus und Verfahren vom Bohrloch aus unterschieden. Bei den geophysikalischen Bohrlochuntersuchungen wird zwischen Verfahren, die in der ausgebauten oder in der noch nicht ausgebauten Bohrung aussagekräftig sind, differenziert. Die nachstehend vorgestellten geophysikalischen Untersuchungen stellen eine Auswahl für den Themenbereich der tiefen Geothermie dar. Für vertiefte Studien wird auf Spezialliteratur (z. B. Bender 1985; Sheriff und Geldart 2006) verwiesen.

Bereits während des Abteufens einer Tiefbohrung werden erste hydraulische Tests in hangenden Schichten außerhalb des geplanten Nutzhorizontes durchgeführt. Weitergehende umfangreiche hydraulische Untersuchungen erfolgen nach Abschluss der Bohrarbeiten. Dazu gehören Langzeittests, Zirkulationsversuche oder Tracertests. Dieser Abschnitt soll einen kurzen Überblick über die gebräuchlichsten hydraulischen Testarten, ihre Durchführung sowie ihre Auswertung vermitteln.

Thermales Tiefenwasser spiegelt die Herkunft, die Zirkulationsdauer und die Wechselwirkungen mit dem Umgebungsgestein wider. Die meisten Tiefenwässer weisen eine erhöhte Mineralisation und Gasgehalte auf. Um Aussagen zu den Eigenschaften des geförderten Thermalwassers und den möglichen Auswirkungen zu treffen, ist die genaue Kenntnis der Inhaltsstoffe eine grundlegende Voraussetzung genauso, wie für den erfolgreichen Langzeitbetrieb der geothermischen Anlage.