Schatz aus der Tiefe
Beschleunigungsprojekt soll Geothermie auf die Sprünge helfen
Geothermie-Bohrung im Geothermalfeld Hellisheiði in Südwest-Island während eines Produktionstests im August 2009. Foto: Reinsch, GFZ
Tief unter unser aller Füßen schlummert ein großes Potenzial für das Energiesystem – Geothermie. Mit jedem Kilometer in den Untergrund nimmt die Temperatur im Mittel um 30 Grad Celsius zu. „Ein Teil der Wärme entsteht seit der Erdentstehung kontinuierlich durch den Zerfall natürlicher radioaktiver Isotope. Heute findet dies verstärkt in der Erdkruste statt.“, sagt Eva Schill. Sie leitet den Cluster Geoenergie des Instituts für Nukleare Entsorgung (INE) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Wärme steigt langsam, aber sicher zur Erdoberfläche auf, geht von dort in die Atmosphäre und entweicht dann in den Weltraum. Auf dem Weg nach draußen könnte bereits ein winzig kleiner Teil davon ausreichen, unsere Wohnungen zu wärmen und unsere Industrie zu versorgen.
Am einfachsten geht das über die hydrothermale Geothermie. Bei dieser werden heute Bohrungen circa drei bis fünf Kilometer tief in den Untergrund getrieben und Reservoire mit heißem Wasser angezapft. Das wird an die Oberfläche gepumpt, gibt seine Energie über Wärmetauscher ab und wird anschließend wieder in den Untergrund zurückgeführt. „Wir haben zusammen mit der Fraunhofer-Gesellschaft eine Roadmap herausgegeben“, sagt Eva Schill. „Dort haben wir aufgezeigt, dass wir mit der hydrothermalen Geothermie etwa 25 Prozent des deutschen Wärmebedarfs decken können. Das sind so in etwa 300 Terawattstunden.“ Allerdings sind die Bedingungen für hydrothermale Geothermie nicht überall in Deutschland gleich. Die entsprechenden Reservoirgesteine sind im Wesentlichen auf die sedimentären Becken in Nord- und Süddeutschland beschränkt. Deshalb wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch das kristalline Grundgebirge nutzen. „Wir nennen das dann petrothermale Geothermie und die ist viel weniger standortabhängig“, erklärt die Forscherin. „Allerdings ist die Erschließung des kristallinen Grundgebirges für die Geothermie technologisch eine ganz andere Herausforderung.“
Denn das Gestein ist normalerweise sehr dicht. Es führt also wenig Wasser. Aber es gibt bestimmte Bereiche, tektonische Störungszonen wie zum Beispiel im Oberrheingraben, wo die Wärmeenergie mit technischen Maßnahmen trotzdem wirtschaftlich erschlossen werden könnte. „Doch diese Maßnahmen sind mit technischen Herausforderungen verbunden. Zum Beispiel können sie zu induzierter Seismizität führen“, sagt Eva Schill. „In der Vergangenheit wurden so künstlich Erschütterungen generiert.“ Um solche Probleme zu lösen, begleitet das Projekt den Aufbau einer neuen Forschungsinfrastruktur vor. Gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und dem GeoForschungsZentrum (GFZ) wird in den nächsten Jahren unter Leitung des Karlsruher Institutes für Technologie das Untertagelabor GeoLaB aufgebaut. In mittlerer Tiefe wollen die drei Helmholtz-Zentren erforschen, wie sich das Problem der induzierten Seismizität minderen lässt.
DeepStor. Bild:KIT
Allerdings sind induzierte Seismizität und Technologieentwicklung nicht die einzigen Herausforderungen, vor denen der flächendeckende Einsatz der Geothermie steht. „Ein großes Problem in der Wärmeversorgung ist neben der Bereitstellung von Grundlastwärme die Abdeckung der Mittellast in den saisonalen Übergangsperioden“, gibt die Geologin zu bedenken. „Wir wollen das untertägige System auch möglichst stabil halten. Denn jede Änderung von Temperatur oder Druck kann zu Ausfällung von Mineralien führen. Das heißt, die gelösten Salze kristallisieren und behindern den Wasserfluss. Das beeinträchtigt Funktionsfähigkeit und Wirkungsgrad der Anlagen.“ Ein kontinuierlicher Betrieb führt aber gerade im Sommer zu Überschusswärme. Natürlich könnte man daraus elektrischen Strom gewinnen. Man könnte sie aber auch speichern und im Winter damit heizen.
Zwei Leuchttürme
Genau diesen Weg geht Eva Schill. „Wir wollen poröses Gestein im Untergrund nutzen, um dort die überschüssige Wärme zu speichern.“ Um solche Porenspeicher näher zu erforschen, baut das KIT gerade eine Forschungsinfrastruktur auf dem eigenen Campus auf. Der Ort ist gut geeignet. Denn unter dem KIT gibt es ein altes Erdölreservoir. Das soll nun Wärme in Form von heißem Wasser speichern. „Wir haben bereits Wärmespeicher, die bei niedrigen Temperaturen gut funktionieren. Ein gutes Beispiel ist hier der Reichstag in Berlin“, sagt Eva Schill. „Doch wir wollen in Zukunft auch die Fernwärmenetze über diese Speicher mit Wärme versorgen. Die meisten dieser arbeiten aber mit Vorlauftemperaturen über 100 Grad Celsius.“ Und in diesem Temperaturbereich gibt es noch Forschungsbedarf. Dazu muss man wissen: Je höher die Temperaturen und die Drücke sind, umso höher ist auch das Wahrscheinlichkeit für Veränderungen im Untergrund. Das liegt in erster Linie an den Salzen, die im natürlichen Tiefenwasser gelöst sind. Verändern sich die Bedingungen, fällen sie aus und verstopfen die Poren des Speichers. „Für uns ist das ein Leuchtturmprojekt, das bereits in der normalen Helmholtz Programmförderung läuft“, erzählt Eva Schill. „Ursprünglich wollten wir bis 2027 ein Technology Readiness Level von 5 bis 6 erreichen. Mit den Mitteln aus der aktuellen Beschleunigungsförderung hoffen wir, bereits 2025 so weit zu sein.“
Porenspeicher können aber nicht nur heißes Wasser aufnehmen. Auch Wasserstoff, der in der Energiewende eine Schlüsselrolle einnehmen soll, lässt sich im schwammartigen Gestein verwahren. Und das ist Eva Schills zweiter Leuchtturm. „Natürlich lassen sich die bestehende Erdgas-Kavernenspeicher auf Wasserstoff umzuwidmen“, erklärt sie. „Doch mit Blick auf die Wasserstoffstrategie der Bundesregierung benötigen wir im Jahr 2030 zehnmal mehr Kavernenspeicher als zur Verfügung stehen. Wir müssen also auch andere Speichermöglichkeiten in Betracht ziehen.“ Und da bieten sich die Porenspeicher an. Eine Tatsache macht sie dabei besonders interessant: die regionale Verteilung. Denn um Deutschland effektiv mit erneuerbarer Energie zu versorgen, müssen auch die Speicher möglichst gleichmäßig im Land verteilt sein. Die heutigen Kavernen liegen aber vor allem in Norddeutschland. Porenspeicher hingegen ließen sich gleichmäßiger verteilen.
„Mit den jetzt zusätzlich zur Verfügung stehenden Mitteln starten die Kollegen des GFZ das Projekt HyAquiStore im Norddeutschen Becken“, sagt sie. „Dort hat das GFZ vor Jahren schon erfolgreich die CO2 Speicherung demonstriert. Nun werden wir den Standort umbauen und die Versuche zur Wasserstoffspeicherung durchzuführen.“
Kompetenzen bündeln
Geothermie verbindet Energie mit Geowissenschaften. Kein Wunder also, dass das KIT das GZF und das UFZ in enger Partnerschaft arbeiten. Diese schon lange gelebte und sehr erfolgreiche Kooperation soll jetzt im Zuge des Beschleunigungsprojektes gebündelt werden. KIT und GFZ werden nun den Grundstein für ein „Helmholtz National Lab for GeoEnergy“ legen.
Und das soll die Geothermie auch weit über die Forschung hinausgehen voranbringen. Denn ein Grund, warum sie den anderen erneuerbaren Energien immer noch hinterherhinkt, sind die sehr hohe Investitionskosten in die geothermischen Anlagen. Das ist gerade in der ersten Zeit Hochrisikokapital. Deshalb denken die Bundesregierung und insbesondere das Wirtschaftsministerium darüber nach, wie man diese Investitionen anstoßen kann. „Ein Ziel des Helmholtz National Lab ist es, die Bundesregierung hierbei zu unterstützen“, sagt Eva Schill. „Das ganze Knowhow, das wir jetzt mit den Leuchtturmprojekten sammeln, soll in einen nationalen Pool eingehen. Damit wollen wir dann Wirtschaftspartner dabei unterstützen, die Geothermie voranzubringen."
Energie-Forschungsprojekte zur Erhöhung der Versorgungssicherheit
Die Energiewende ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. Der Krieg in der Ukraine führt uns vor Augen, wie abhängig das deutsche aber auch das europäische Energiesystem vom Import fossiler Energieträger ist. Und er drängt uns zu noch schnellerem Handeln. Wissenschaftler des Helmholtz-Forschungsbereichs Energie erforschen und entwickeln Lösungen für ein zukünftiges Energiesystem. Als direkte Reaktion auf den Krieg gegen die Ukraine hat der Forschungsbereich vier Initiativen entwickelt. Ziel ist es, Forschungsprojekte zu beschleunigen und durch den raschen Transfer in die Praxis zu unserer Versorgungssicherheit beizutragen. Die hier vorgestellte Projekt ist eine der vier Initiativen.
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