Geothermie
Wärmewende von unten
Bild KIT
Mit Geothermie ließe sich ein Viertel unseres Wärmebedarfs abdecken. Langfristig ginge noch mehr. Forschende entwickeln dafür praxistaugliche Lösungen.
Um den Klimawandel nicht weiter zu forcieren, soll Deutschland bis 2045 nicht mehr Treibhausgase ausstoßen als es an anderer Stelle kompensiert und nach 2050 negative Treibhausgas-Emissionen erzielen. Das heißt auch: Wir müssen anders heizen. Denn der Wärmesektor macht mehr als die Hälfte des nationalen Energiebedarfs aus. Hierfür können wir Energieressourcen unter unseren Füßen nutzen. Mit jedem Kilometer in die Erde nimmt die Temperatur durchschnittlich um 30 Grad Celsius zu. Diese Wärme steht uns kontinuierlich und verlässlich zur Verfügung.
Geothermie kann künftig einen beträchtlichen Anteil des hiesigen Wärmebedarfs decken. Mit den bestehenden hydrothermalen Technologien der Tiefengeothermie könnte bis zum übernächsten Jahrzehnt – bei entsprechenden Investitionen – ein Viertel des deutschen Wärmebedarfs gedeckt werden. Das Prinzip ist einfach. Wasser wird in den Untergrund gepresst, wo es sich erwärmt, bevor es wieder an die Oberfläche gepumpt wird. Mit der weiteren Entwicklung ließe sich künftig ein noch größerer Anteil des Wärmebedarfs nachhaltig decken. Etwa durch saisonale Tiefenspeicher, in denen Wärme über Monate ohne übergroße Verluste gespeichert werden kann, um Wärmeüberschuss aus dem Sommer im Winter für Heizungszwecke zu nutzen. Hinzu kommt die Erschließung des kristallinen Grundgebirges, das man etwa im Schwarzwald und in der Eifel vorfindet. Ihre an sich zu geringe Wasserwegsamkeit gilt es durch Stimulationsmaßnahmen zu verbessern, um einen erheblichen Anteil des hydrothermalen Potenzials in Deutschland zu erschließen. An der Entwicklung dieser zusätzlichen, strategisch wichtigen Potenziale arbeiten die Helmholtz-Zentren KIT, GFZ und UFZ – nicht zuletzt mit großen Forschungsinfrastrukturen und der wissenschaftlichen Begleitung von Pilotprojekten.
Die Roadmap für Tiefe Geothermie, ein von der Fraunhofer Gesellschaft und Helmholtz-Gemeinschaft gemeinsam erarbeitetes Strategiepapier, empfiehlt bis 2030 wenigstens 100 Terrawattstunden pro Jahr (TWh/a) aus Hydrothermaler Tiefengeothermie, also durch die Nutzung von Heißwasser-Vorkommen im tieferen Untergrund, abzudecken. Bis 2040 sollte das Ausbauziel von 300 TWh/a angestrebt werden. Das entspricht 25 Prozent der gesamten deutschen Wärmenachfrage, neben Eigenheimbesitzern und Kommunen auch durch Industriebetriebe.
Wärme gewinnen und Wasser reinigen
Anlagen für oberflächennahe Einsätze sind schon lange serienreif, vor allem für einzelne Gebäude. Da Geothermie generell wenig Platz beansprucht, lassen sich damit punktuell auch Ballungsräume mit hoher Nutzungskonkurrenz versorgen. „Dies ist jedoch eine technisch größere Herausforderung“, sagt Olaf Kolditz, Leiter der Abteilung Umweltinformatik am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig und Professor an der TU Dresden. „Um die vorhandenen Ressourcen wirtschaftlich und ökologisch zu nutzen, müssen wir den Betrieb komplexer Systeme mit Sonden und bodengestützten Wärmepumpen zukünftig insbesondere für größere Systeme – zum Beispiel auf Quartiersebene – optimieren.“ Wie werden die einzelnen Komponenten einer komplexen Nachbarschaftslösung am besten dimensioniert und aufeinander abgestimmt, sodass sie effizient und nachhaltig arbeiten? Kolditz‘ Team hat gemeinsam mit Kooperationspartnern – der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK) und der Weishaupt-Gruppe, einem führende Hersteller von Wärmepumpen – hierfür eine Entscheidungshilfe entwickelt: Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt EASyQuart unterstützt Planende, die einen Campus oder ein Stadtgebiet mit oberflächennahen geothermischen Ressourcen heizen oder kühlen wollen.
Im Untertagelabor GeoLaB können Forschende Prozesse der Tiefengeothermie direkt beobachten. Bild: KIT
„Vorhandene Wärme und Kälte zu speichern, ist ein weiterer wichtiger Baustein, um unser Energiesystem nachhaltig zu machen“, betont Kolditz. Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) heißt dieses Instrument auf Englisch (thermische Energiespeicherung im Untergrund). Speichert man in den heißen Sommermonaten überschüssige Wärme im oberflächennahen Grundwasser und entnimmt sie im Winter, kann dies einen wichtigen Beitrag zum saisonalen Wärmemanagement in städtischen Gebieten leisten. „Besonders flache Grundwasserleiter sind in Städten oft mit Schadstoffen kontaminiert und können nicht für die Trinkwasserversorgung verwendet werden“, sagt Kolditz. „Deshalb haben wir den zyklischen Betrieb eines ATES in Leipzig mit der Reinigung des Grundwassers verbunden.“ Im Rahmen des Forschungsprojekts KONATES ging eine Pilotanlage in Betrieb, die als Wärmetauscher dienen und zugleich Schadstoffe aus dem Grundwasser entfernte – die potenzielle Blaupause für eine CO2-arme, energetische Bewirtschaftung kontaminierter Grundwasserleiter.
Durch den erfolgreichen Abschluss des KONATES Projekts beflügelt, geht das UFZ nun den nächsten Schritt und plant die Implementierung „Blau-Grün-Roter“ (BGR) Infrastrukturen auf dem Wissenschaftspark Leipzig. Dabei werden verschiedene Technologien, wie Wasserspeicherung, Gründächer, Photovoltaik und Geothermie, kombiniert, um eine dezentrale Wärme/Kälteversorgung und den Klimaschutz zu befördern. Dieses ambitionierte Vorhaben ist Teil eines neuen Helmholtz-Forschungsprogramms , das eine neue Form der lösungsorientierten, angewandten Forschung der Helmholtz-Gemeinschaft – die sogenannten SolutionLabs – auf den Weg bringt. Das SolutionLab „URBAN-LE“ hat neben dem Wissenschaftspark Leipzig weitere BGR-Infrastrukturen in Leipzig im Visier, zum Beispiel den MDR-Campus und neu geplante Stadtteile in Leipzig. Für diese komplexen urbanen Infrastrukturen werden auch moderne Digitalisierungsmethoden wie Virtuelle Realitäten und Künstliche Intelligenz eingesetzt.
Ganze Quartiere und Industriebetriebe versorgen
„Weitere große Potenziale, um vor allem Ballungsräume auch mit hohem Anteil an Bestandsgebäuden und Industrieanlagen zu versorgen, können wir mithilfe Tiefer Geothermie erschließen“, sagt Thomas Kohl, Professor für Geothermie und Reservoir-Technologie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
„Passenderweise sitzt das KIT auf „einer der größten Wärmeanomalien Deutschlands mit 170 Grad Celsius in 3.000 Meter Tiefe und somit auf einem idealen Testfeld für Tiefe Geothermie“, erläutert Bastian Rudolph, Projektleiter der Großinfrastrukturen GeoLaB und DeepStor. Dies gelte auch für die Speicherkapazitäten: „In einem ehemaligen Erdölfeld könnten anstatt des Erdöls vielleicht auch große Mengen an Wärme in Form von heißem Wasser gespeichert werden.“ Derzeit werden für die Deepstor-Bohrung Vorbereitungen auf dem Bohrplatz getroffen. Ab August wollen die Forschenden bis zu 1.400 Meter in die Tiefe gehen.
Hydrothermale Geothermie kann ganze Quartiere und Industriebetriebe versorgen. Letztere arbeiten oft mit Temperaturen, die sich aus oberflächennaher Geothermie nicht bereitstellen lassen. Sensibles Vorgehen ist bei Hydrothermaler Geothermie angesagt: Druck- und Temperaturänderungen lösen Mineralien aus dem Thermalwasser oder fällen sie aus. Diese Teilchen setzen den Anlagen zu, indem sie Poren oder Leitungen verstopfen – wie, wenn Kalk aus Leitungswasser ausfällt. Doch die Technologie ist weitgehend ausgereift und kommt seit Jahrzehnten in einigen europäischen Ballungsräumen zur Anwendung, etwa in München und Paris. Eine Reihe von Stadtwerken speist auch hierzulande damit ihre Fernwärmenetze. „Die Investitionen sind beträchtlich, der langfristige Ertrag entsprechend hoch“, sagt Kohl. „Doch die geologischen Voraussetzungen für Hydrothermale Geothermie beschränken sich auf wenige geeignete Regionen wie das Norddeutsche Becken, den Oberrheingraben und das Bayerische Molassebecken um München, weshalb wir auch auf weniger günstige Bedingungen im Untergrund setzen.“
Geo-Energiewende: drei Viertel aus dem Untergrund
Die Erschließung des Grundgebirges wäre der nächste Schritt hin zu einer standort-unabhängigen Nutzung der Erdwärmereservoire in Deutschland, der bislang aber noch nicht voll praxistauglich ist. „Wenn wir den Untergrund falsch belasten, erhöht dies das Risiko von Erbeben“, sagt Rudolph. „Und genau das gilt es zu verhindern.“ Dies ist beispielsweise möglich, wenn man Wässer in der richtigen Menge und Geschwindigkeit fließen lässt und die dort herrschenden Spannungen auf Störungszonen schrittweise löst.
Die drei Helmholtz-Zentren KIT, UFZ und GFZ haben einen geeigneten Standort ausfindig gemacht, um für weitere Untersuchungen zu dieser Technologie ein Felslabor (GeoLaB) zu errichten. „Nach intensiver Erkundung des Untergrunds wissen wir, dass die Tromm-Region im Odenwald die geologischen Voraussetzungen für ein Untertage-Forschungslabor zur Geothermie erfüllt“, berichtet Rudolph. Man finde hier klar definierte geologische Rahmenbedingungen, aber auch eine Komplexität, wie sie für kristalline Reservoire Europas typisch sei. „Mit einem Felslabor an diesem Ort lassen sich Fragen der Reservoirtechnologie in einer relevanten Umgebung unter kontrollierten Bedingungen untersuchen und die so gewonnenen Erkenntnisse auf geothermisch nutzbare Standorte in Europa übertragen.“ Vorbereitend haben die Forschenden unter anderem ein aufwendiges Messprogramm samt einem Vibro-Truck des GFZ aufgelegt, zwei Erkundungsbohrungen durchgeführt und Bohrkerne entnommen. Ein vom UFZ entwickelter digitaler Zwilling, bildet den Untergrund dreidimensional ab und dienst als Basis für Analyse und Planung.
Das unterirdische Felslabor soll in den kommenden Jahren in Betrieb gehen, um neue Wege für unsere Energieversorgung freizumachen: „Auch künftig wäre es möglich, dass ein großer Teil unserer Wärme aus dem Untergrund kommt, aber nicht mehr in Form von Gas, Kohle und Öl“, sagt Kohl. „Mit entschlossener Forschung und entsprechenden Investitionen kann die Geo-Energiewende gelingen, können wir ab den Vierzigerjahren schrittweise die weltweit größte geothermische Ressource, das Grundgebirge, erschließen, sie sicher und ökologisch nachhaltig nutzen.“
Drei Mal Geothermie
Oberflächennahe Geothermie geht bis zu 400 Meter in die Tiefe und nutzt Temperaturen von bis zu 25 Grad Celsius für das Beheizen und Kühlen von Gebäuden. Man entnimmt die Energie durch Sonden oder Brunnen, eine Wärmepumpe hebt die Temperatur zusätzlich an. In Deutschland stellen rund 440.000 Anlagen insgesamt 4.400 Megawatt installierte Wärmeleistung daraus bereit.
Hydrothermale Geothermie nutzt bis zu 180 Grad Celsius heißes Wasser bzw. Dampf aus Brunnen, die bis zu 5.000 Meter tief sind. Kaltes Wasser wird anschließend wieder eingebracht, sodass ein Kreislauf entsteht.
Petrothermale Geothermie kann theoretisch überall angewendet werden. In Tiefen von mehreren Kilometern, wo hohe Temperaturen herrschen, befindet sich gering durchlässiges Gestein. Darin muss man Risse erzeugen, um Wärmetauscher zu erzeugen.
Die Roadmap
Die Helmholtz-Zentren KIT, UFZ und GFZ haben gemeinsam mit drei Fraunhofer Instituten 2022 eine Roadmap mit Empfehlungen zum Ausbau der Tiefen Geothermie in Deutschland erstellt. Darin werden unter anderem Investitionen in „10-Jahres-Schlüsseltechnologien“ empfohlen. Dazu zählen: Bohr- und Reservoir-Technologien, Bohrlochpumpen, Hochtemperatur-Wärmepumpen, Großwärmespeicher, transkommunale Wärmenetze, sektorübergreifende Systemintegration. Flankierende staatliche Förderprogramme sollen laut Roadmap den „Ausbau auf einen großindustriellen Maßstab durch die Industrie“ ermöglichen: „Dabei muss eine umfassende Digitalisierung zur Grundlage der Analyse, Planung, Integration, Steuerung und Kontrolle komplexer Energiesysteme werden.“
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