Nutzung der Geothermie in Deutschland und deren Umsetzung im Geographieunterricht

I Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Geothermie in Deutschland
2.1 Grundlagen und Nutzungsformen der Geothermie
2.2 Geschichte der Geothermie und Forschungsansätze
2.3 Geologische Rahmenbedingungen und Erschließung
2.4 Oberflächennahe Geothermie
2.5 Tiefe Geothermie
2.5.1 Hydrothermale Systeme
2.5.2 Petrothermale Systeme

3 Potenziale der geothermischen Energieerzeugung in Deutschland
3.1 Theoretisches Potenzial und dessen Nutzbarkeit
3.2 Bedeutung für die Energiewende
3.3 Ökologische Analyse und Risiken
3.4 Rechtliche Rahmenbedingungen

4 Einbindung des Themas ‚Geothermie‘ in den schulischen Kontext unter Einbezug des Ochsner Erdwärme-Lehrpfads
4.1 Relevanz für den Unterricht
4.2 Legitimation durch die Kerncurricula von Gymnasien in Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen
4.3 Verwendung in den gymnasialen Schulbüchern in Niedersachsen und Nord- rhein-Westfalen
4.4 Planung und Analyse einer Unterrichtseinheit zum Thema Geothermie unter Einbindung einer Exkursion
4.4.1 Merkmale guten Geographieunterrichts und Anforderungen an das Fach
4.4.2 Ausführlicher eigener Unterrichtsentwurf
4.4.3 Exkursionsdidaktik am Beispiel der Exkursion zum Ochsner Erdwärme- Lehrpfad
4.4.4 Diskussion: Unterrichtseinheit Geothermie und Exkursion zum Ochsner Erdwärme-Lehrpfad

5 Zusammenfassung

6 Abkürzungsverzeichnis

7 Literaturverzeichnis

8 Anhang

II Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Der Aufbau der Erde

Abbildung 2: Römisches Soldatenthermalbad Baden-Baden mit Fußbodenheizung

Abbildung 3: Im Betrieb oder im Bau befindliche geothermischer Kraftwerke, Heizwerke und Thermalbäder mit Erdwärmenutzung

Abbildung 4: Geologischer Querschnitt durch Deutschland

Abbildung 5: Vorbereitung und Vorerkundung im Ablauf der Erschließung eines Geothermalprojekts

Abbildung 6: Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Abbildung 7: Das ORC-Kraftwerk

Abbildung 8: Der Kalina-Prozess

Abbildung 9: Triplette eines petrothermalen Hot-Dry-Rock-Verfahrens

Abbildung 10: Karte der Thermalwasservorkommen in Deutschland

Abbildung 11: Geothermische Temperaturen in Deutschland in 3000 m Tiefe

Abbildung 12: Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in Deutschland

Abbildung 13: Anzahl der Schulbücher Niedersachsen und Nordrhein-Westfalens, in denen der Begriff ‚Geothermie‘ oder ein vergleichbarer Begriff vorkommt

Abbildung 14: Anzahl der aktuell zu nutzenden gymnasialen Schulbücher nach Bundesland mit dem Stichwort Geothermie

Abbildung 15: Zusammenfassung von Merkmalen guten Unterrichts

Abbildung 16: Hot-Dry-Rock-Verfahren

Abbildung 17: Hydrothermales Kraftwerk

Abbildung 18: Foto Thermalbad Erding

III Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Übersicht hydrothermal genutzter Geothermie-Projekte in Deutschland

Tabelle 2: Übersicht realisierter petrothermaler EGS-Projekte in Deutschland

Tabelle 3: Seismische Ereignisse bei Projekten der Tiefen Geothermie in Deutschland und der Schweiz

Tabelle 4: Legitimation des Themas „Erneuerbare Energien“ in den gymnasialen Kerncurricula von Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen

Tabelle 5: Gymnasiale zugelassene Schulbücher in Nordrhein-Westfalen

Tabelle 6: Gymnasiale zugelassene Schulbücher in Niedersachsen

Tabelle 7: Übersicht über das Angebot zur Bearbeitung des Themas ‚Geother-mie‘ aller gymnasialen Schulbücher Niedersachsen und Nordrhein-Westfalens, in denen das Stichwort ‚Geothermie‘ vorkommt

Tabelle 8: Unterrichtsreihe zum Thema ‚Erneuerbare Energien – das Beispiel Geothermie‘

Tabelle 9: Unterrichtsverlaufsplan

Tabelle 10: Vor- und Nachteile eines Geothermalkraftwerks

Tabelle 11: Gründe und Schwierigkeiten von Exkursionen

Tabelle 12: Aufbau eines Exkursionsbeispiels anhand der Exkursion zur Oberflächennahen Geothermie

1 Einleitung

Mit der „Energie unter unseren Füßen“ (Chopra 2008) zur Energiewende.

So oder so ähnlich könnte man wohl ein aktuelles Thema beschreiben, welches in Verbindung mit geläufigeren Begriffen wie Klimawandel, Ressourcen- und Rohstoffnutzung, nachhaltige Entwicklung und Energiewende steht: die Erdwärme beziehungsweise Geothermie.

Es gibt viele erneuerbare Energien, die die Weltbevölkerung sich statt fossiler Energieträger zunutze machen kann: Die Windenergie zum Beispiel in Form von Offshore-Windkraft-anlagen, die Solarenergie, welche auch Privathaushalte unter anderem mithilfe von Photovoltaikanlagen nutzen können, die Wasserkraft, die Bioenergie in Form von Biogasanlagen, die Meeresenergie und schließlich die Geothermie. Die Geothermie lässt sich in verschiedene Verfahren und Systeme untergliedern, mit welchen sowohl Wärmeenergie, als auch Strom erzeugt werden können. Zurzeit sind in Deutschland (Stand: 2015) 29 größere Geothermalanlagen in Betrieb, unter diesen befinden sich zehn Kraftwerke (Bundesverband Geothermie 2015) und die Anzahl steigt, denn „Deutschland verfügt über weitaus mehr geothermische Ressourcen als bisher genutzt werden“ (Bußmann 2010, 5).

Aber auch Risikoanalysen, Umweltverträglichkeitsprüfungen, ökologische Bedenken und politische Richtlinien sind Stichworte, die im Zusammenhang mit der Planung oder dem Bau von Bohrungen in der Tiefe fallen, um die Erdwärme zu nutzen. Ein aktuelles Beispiel findet sich in Basel, wo das erste geothermische Kraftwerk Europas entstehen sollte, welches nach dem Hot-Dry-Rock-Verfahren (Bohrung in großer Tiefe, um die im Gestein gespeicherte Wärme zu nutzen) arbeitet (Dannenberg 2014). „Das Resultat waren drei große Erdbeben bis zu einer Stärke von 3,4 auf der Richterskala“ (Dannenberg 2014, 139).

Im heutigen Geographieunterricht an den Schulen in Deutschland könnte die Nutzung von Geothermie ein anschauliches und für die erneuerbaren Energien stellvertreten-des Thema sein. Ganz im Sinn von realitätsnahem, aktuellem, regionalem und handlungsfördernden Geographieunterricht ist eine Betrachtung dieser vielleicht nicht ganz so geläufigen erneuerbaren Energie durchaus sinnvoll und es ist „besonders wichtig, die Jugendlichen frühzeitig für das Thema Energie zu sensibilisieren, damit sie die komplexen Zusammenhänge besser verstehen, sich informiert eine eigene Meinung bilden und bewusste Handlungsentscheidungen im Sinne der Nachhaltigkeit treffen können“ (Schüppel 2013, 5).

Ziele dieser Arbeit sind nun:

- die Nutzungsformen und die Technik der Geothermie in Deutschland zu beschreiben und zu erklären,
- das Potenzial dieser erneuerbaren Energie in Deutschland aufzuzeigen,
- ökologische Risiken und rechtliche Rahmenbedingungen zu erläutern,
- zu zeigen, ob und wenn ja inwiefern das Thema Geothermie in gymnasialen Kerncurricula und Schulbüchern verankert ist,
- einen eigenen Unterrichtsvorschlag zu geben mit Einbeziehung eines außerschulischen Lernstandortes im Sinne einer Exkursion,
- die befundenen Ergebnisse zu diskutieren.

Anhand dieser Ziele lassen sich Hypothesen aufstellen, die im Verlauf der Arbeit verifiziert oder falsifiziert werden sollen:

1) Die Geothermie kann in Deutschland genutzt werden, allerdings nicht mit jedem Verfahren.

2) Es bestehen Konflikte in Bezug auf die Umweltverträglichkeit und tiefe Bohrungen bringen deutliche Risiken mit sich.

3) In Kerncurricula und Schulbüchern ist das Thema Geothermie nicht beziehungsweise nur als Stichwort zu finden, da in den meisten nicht einmal das Thema „Erneuerbare Energien“ behandelt wird.

4) Ein außerschulischer Lernstandort kann in den schulischen Unterricht gut einbezogen werden, allerdings ist der Ochsner Erdwärme-Lehrpfad eher auf den Besuch von Erwachsenen/der Sekundarstufe II ausgelegt.

2 Geothermie in Deutschland

Um den Ursprung geothermischer Energie nachvollziehen zu können, muss man den Aufbau der Erde betrachten. Zusätzlich wichtig zur Differenzierung der verschiedenen Lagerstätten und zum Verständnis, welches geothermische System man wann und wo einsetzen kann, werden geologische Kenntnisse benötigt. Besonders in Deutschland sind viele Systeme theoretisch einsetzbar. Inwieweit die Technik dafür besteht und ausreicht, ist teilweise fraglich (Schünemann 2012; Bußmann 2010). Die genannten Aspekte, welche Systeme bestehen, wie sie funktionieren und wie die Geothermie sich geschichtlich entwickelt hat, werden nun im folgenden Kapitel erläutert.

2.1 Grundlagen und Nutzungsformen der Geothermie

Die Erde ist schalenförmig in vier verschiedene Zonen aufgebaut (Abb. 1): Von außen nach innen trifft man zunächst auf die feste Erdkruste. Sie ist unter den Weltmeeren etwa fünf km und an Land bis zu 70 km mächtig. Danach schließt sich der feste Erdmantel an, der etwa 2900 km Mächtigkeit aufweist (Dannenberg 2012).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Der Aufbau der Erde (Quelle: Stober 2014, 3).

Der äußere Erdkern, der mit einer Mächtigkeit von 2200 km flüssig ist, befindet sich zwischen diesem und schließlich dem festen Erdkern (Dannenberg 2012). Je weiter man zum Erdkern gelangt, desto mehr steigt die Dichte. Somit „verfügt [der Erdkern; d.V./I.S.] […] über fast 32 % der Erdmasse“ (Stober 2014, 3). Anhand der Temperaturen im Erdinneren (Abb. 1) kann man sagen, dass „99 % unseres Planeten […] heißer als 1000 °C [und] von dem einen Prozent, das übrig bleibt, […] 99 % heißer als 100 °C [sind; d.V./W.B.]“ (Bußmann 2012, 11).

Je tiefer man nun in die Erde vordringt, desto wärmer wird es, angefangen bei 1000 °C am inneren Ende der Kruste bei 40 km Tiefe, bis hin zu 6500 °C im inneren Erdkern (Bußmann 2010; Stober 2014; Dannenberg 2012). Als Geothermie wird die Erdwärme bezeichnet, die in der Erde als Wärmeenergie gespeichert ist. „Das bedeutet, dass damit nicht die Nutzung der Wärme der obersten 15 bis 20 m des Erdreichs gemeint ist, denn die hierbei vorhandene Wärmeenergie wird fast ausschließlich durch die Sonne bereitgestellt“ (Wagner 2009, 253).

Diese hohe Energie unter der Oberfläche der Erde rührt zum Teil noch aus der Entstehungszeit der Erde her: Nach und nach wurde sie zu dem Planeten, der sie heute ist. Durch die hohe Zerfallsenergie von einer großen Menge an radioaktiven Isotopen, zum Beispiel Uran, Thorium und Kalium (Hennicke/Fischedick 2010) entsteht Wärme. Während aus ihr etwa dreiviertel des Energieinhalts gespeist werden können, kommt die restlichen 25 % noch aus der durch den Massezusammenprall entstandenen Wärme aus der Entstehungszeit (Bußmann 2010; Bußmann 2008). Durch das hohe Gefälle der Temperatur zwischen dem inneren Erdkern und der äußeren Erdkruste entstehen Konvektionsströme. Bei diesem uns unbewussten Vorgang im Innern der Erde wird Wärme zur Erdoberfläche hin transportiert. Diese Ströme sind auch der Antrieb für die Bewegung der Kontinentalplatten und somit für die Genese von Gebirgen, Vulkanen und Erdbeben verantwortlich, wenn zum Beispiel eine Platte unter die andere geschoben wird (Subduktion) oder zwei Platten sich auseinanderbewegen und so große Gräben entstehen können. Geysire oder Thermalquellen sind Beispiele dafür, dass auch Wärme direkt an der Erdoberfläche als Flüssigkeit oder Gas austreten kann. Unterhalb der Kontinente unterscheidet sich die Temperaturzunahme pro Kilometer von Ort zu Ort. Deshalb gibt es Räume, die sehr geeignet für die Nutzung der Erdwärme sind und weniger geeignete Räume. Zu den Gebieten mit erhöhter Wärmeflussdichte unterhalb der Oberfläche gehören Island, der Mittelmeerraum, Ostafrika, die Westküsten Nord- und Südamerikas, Ozeanien, Japan und die Südostküste Chinas (Petry 2009). In Deutschland ist das Potenzial der Geothermie ebenfalls unterschiedlich.

Die Nutzung von Geothermie als Energiequelle zählt neben der Solarenergie, der Windenergie, der Bioenergie, der Wasserkraft und der Meeresenergie zu den regenerativen beziehungsweise zu den erneuerbaren Energien. Während jedoch zum Beispiel die Nutzung von Windenergie von der Kraft des Windes und somit vom Klima, Jahres- und Tageszeiten abhängt, ist die Erdwärme fortwährend vorhanden. Würde man allerdings mittels eines Bohrlochs in einigen tausend Metern erheblich viel mehr Wärme entziehen, als unten nachströmt, gäbe es eine „Wärmesenke, in der es irgendwann so kühl geworden ist, dass die an der Oberfläche befindliche Anlage nicht mehr wirtschaftlich genutzt werden kann. Man könnte dann unweit des alten Lochs ein neues bohren“ (Bußmann 2010, 14). Mit der Zeit würde sich aber die Wärmesenke wieder ausgleichen und sie wäre erneut nutzbar.

Möglichkeiten, geothermische Energie in Deutschland zu nutzen, gibt es viele. Grundsätzlich wird zwischen oberflächennaher und Tiefengeothermie unterschieden. Die Grenze wird bei 400 m Tiefe und 20 °C gesetzt: Ab hier spricht man von Tiefengeothermie (Stober 2014).

„Bei oberflächennaher Geothermie wird dem Untergrund Wärme mithilfe von Erdwärmekollektoren, -sonden oder Grundwasserbohrungen entzogen“ (Dannenberg 2013, 130). Sie wird meist nicht zur Stromgewinnung, sondern zum Heizen genutzt. In Deutschland ist es aufgrund von geringer geothermischer Anomalie nicht möglich, die Wärme direkt in Strom umzuwandeln, wie zum Beispiel in Island (Dannenberg 2013).

Die Tiefe Geothermie, bei der man geothermische Energie mithilfe von Bohrungen in großer Tiefe unmittelbar nutzt, lässt sich in viele verschiedene Verfahren und Systeme unterteilen. Die wichtigsten sind:

- Hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie
- Hydrothermale Systeme mit niedriger Enthalpie
- Petrothermale Systeme

Als hydrothermal bezeichnet man Thermalwasserquellen, welche als warme, natürliche Quelle im Untergrund vorhanden ist. Sie kommen in Vulkanregionen mit über 175 °C vor (hohe Enthalpie/Wärmedargebot), und werden mit einer Temperatur von 20 °C oder höher als Thermalwasser bezeichnet (niedrige Enthalpie/niedriges Wärmedargebot), die an die Oberfläche treten können und oftmals balneologisch genutzt werden (Bußmann 2010; Buntebarth 1980). Eine heißwasserführende Schicht im Untergrund wird als Aquifer bezeichnet.

Petrothermale Systeme umfassen Verfahren, bei denen die Stromerzeugung im Vordergrund steht. Hierzu gehören Systeme wie das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) und andere Enhanced-Geothermal-Systems (EGS). Die Namensgebung hat sich über den Lauf der Jahre verändert: Früher bezeichnete man diese Systeme, bei denen man versucht, so tief zu bohren bis zu sehr heißem Gestein, um damit Strom zu erzeugen, als HDR. Doch nachdem man erkannte, dass das Gestein in der Tiefe nicht zwangsläufig trocken war, ersetzte man den Begriff durch EGS. Es wird in Gebieten angewendet, in denen weder heißes Wasser, noch Wasserdampf vorhanden ist, sondern nur heißes Gestein. In Deutschland findet man diese Gegebenheiten ab 5000 m Tiefe (Dannenberg 2012). Ebenfalls zu den Petrothermalen Systemen gehören Tiefe Erdwärmesonden. „Die Energienutzung erfolgt aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit einem geschlossenen Flüssigkeits-Kreislauf in der Sonde“ (Stober 2014, 54). Aufgrund der geringen Temperaturen in dieser Tiefe von bis zu 3000 m, wird mit ihnen ausschließlich Wärme erzeugt (Stober 2014).

2.2 Geschichte der Geothermie und Forschungsansätze

Bevor es um den heutigen Stand der Technik und Forschungsansätze geht, ist es sinnvoll, einen Blick auf die Geschichte der geothermischen Energie zu werfen.

Im Gegensatz zu den anderen erneuerbaren Energien hat sich die Geothermie sehr spät und langsam entwickelt. Allerdings gibt es schon Überlieferungen aus der Antike, in denen die Menschen von einem Feuerstrom in der Erde, dem Pyriphlegeton, berichten (Meinhold 1984). Allerdings verbanden sie damit noch nicht, dass dieser überall existiert, beziehungsweise dass das Erdinnere allgemein eine hohe Temperatur aufweist. Der Pyriphlegeton versorge lediglich die Vulkane mit Feuer. Die frühe Erkenntnis des Patricius, Bischoff von Pertusa (etwa zehn km westlich des heutigen Tunis), ging jedoch im Mittelalter wieder verloren. Er wies auf eine zunehmende Hitze in der Erde hin, die er als Grund für die heißen Quellen in Karthago (nördliches Afrika) erkannte (Meinhold 1984).

Zurzeit des Römischen Reiches (753 v. Chr. bis 476 n. Chr.) gehörte die Nutzung der Erdwärme in Form von Thermalbädern und heißen Quellen zum Alltagsleben der Römer (Abb. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Römisches Soldatenthermalbad

Baden-Baden mit Fußbodenheizung (Quelle: Stober, 2014, 23).

Die Thermen (thermae; von dem Griechischen θερμος = warm) waren ein täglicher sozialer Treffpunkt mit Sportgelegenheiten und zahlreichen Bädern, ganz nach dem Spruch ‚sanus per aquam‘ (= gesund durch Wasser). „Belegt ist, dass die Römer ab dem zweiten Jahrhundert vor Christus gerne in der Nähe von Thermalquellen siedelten, wie beispielsweise in Aix-en-provence (Aquae Sextiae), in Bagnière de Luchon in den Pyrenäen, in Wiesbaden (Aquae Mattiacorum), Baden-Baden (Aquae Aureliae) (Abb. 2), Badenweiler […] und vielen anderen Orten“ (Stober 2014, 21). Sowohl bei den Griechen, als auch bei den Kelten oder bei den Indianern in Nordamerika galten heiße Quellen als Quelle der Macht und wurden teilweise sogar als Gottheiten verehrt. Man schrieb ihnen heilende Kräfte zu bei verschiedensten Krankheiten (Stober 2014; Meinhold 1984). Zwischen der Antike und dem 18. Jahrhundert hegten viele Vermutungen über die Wärme im Erdinneren, jedoch wurden keine Messungen unternommen, sodass keine eindeutigen Beweise vorlagen. „Erst Anfang des 19. Jh. hat Arago aus Paris von wirklichen Temperaturmessungen berichtet, die er selbst und zusammen mit A. v. Humboldt angestellt hat“ (Meinhold 1984, 13). Hier wurde der geothermische Gradient entdeckt: Rund um Freiburg befanden Humboldt und Arago eine Zunahme von 3,8 °C pro 100 m (Stober 2014). Erman und Magius haben knapp 30 Jahre später in Berlin mithilfe der ersten Bohrungen Temperaturen gemessen (Meinhold 1984). Nachdem einige Messungen durchgeführt worden waren, wurde 1939 die erste Wärmestromdichte von Benfield durchgeführt, als in Südwestdeutschland, in Neuffen, eine ungewöhnlich hohe Zunahme der Temperatur festgestellt wurde: die erste geothermische Anomalie war gefunden worden (Stober 2014; Meinhold 1984).

Während lange die Meinung verbreitet war, man könne geothermische Energie in rentablem Umfang nur bei Vulkanen (zum Beispiel in Italien), Geysiren oder in Island nutzen, wurde den Menschen nach und nach auch das geothermische Potenzial in Deutschland bewusst. Das erste geothermische Kraftwerk zur Stromerzeugung mit den niedrigsten Thermalwassertemperaturen wurde im November 2003 in Neustadt-Glewe (Abb. 3) in Betrieb genommen und zeigt, dass es auch möglich ist, die Energie aus der Erde ohne einen Vulkan in der Nähe zu nutzen. Es folgten Landau vier Jahre später und Unterhaching nach weiteren zwei Jahren.

Insgesamt werden Petrothermalen Systemen beim Ausbau der Stromversorgung und oberflächennaher Geothermie weltweit die größten Chancen eingeräumt (Sass et al. 2013). Heißes Gestein im Untergrund „kann […] mit den heute bekannten Technologien in wirtschaftlich interessanten Tiefen […] in mindestens 60 % der festen Oberfläche der Erde […] erschlossen werden“ (Bußmann 2010, 17). Oberflächennahe Geothermie kann sehr gut sowohl zum Kühlen, als auch zum Heizen genutzt werden und zur Speicherung der überschüssigen Energie in der Erde für den kalten Winter (Stober 2014; Schünemann 2012; Sass et al. 2013).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Im Betrieb oder in Bau befindliche geothermische Kraftwerke , Heizwerke

und Thermalbäder mit Erdwärmenutzung (Quelle: verändert nach Agentur für Erneuerbare Energien e.V.,

“Erneuerbare Energien 2020 - Potenzialatlas Deutschland”, 2010 [3]).

Bezüglich der oberflächennahen Geothermie sollen in Zukunft unter anderem die Kosten gesenkt werden durch Entwicklung neuer Technologien, neue Ideen oder Verbesserungen für Kältemittel gesucht werden und „mitteltiefe Erdwärmesysteme zur Versorgung größerer (Bestands-) Objekte und Infrastrukturen“ (Bundesverband Geothermie: Bericht Forschungsbedarf 2012, 4) entwickelt werden. Während die oberflächennahe Geothermie nahezu überall genutzt werden kann, soll auch die Tiefe Geothermie ortsunabhängiger gemacht werden oder zumindest die Heiznetze um einen Ort mit geothermischer Anomalie ausgebaut werden (Bundesverband Geothermie 2012). Die seismischen Aktivitäten, die bisher teilweise auf geothermische Bohrungen zurückgeführt werden konnten, drängen dazu, sie auszuschließen oder auf ein Minimum zu reduzieren. Im Sinne der Klimaschonung sollen ebenfalls die Emissionen, die im ‚Leben‘ einer geothermischen Anlage verursacht werden, reduziert werden, beispielsweise beim Bau oder Rückbau (Bundesverband Geothermie 2012).

2.3 Geologische Rahmenbedingungen und Erschließung

Oberflächennahe Geothermie ist fast überall in Deutschland nutzbar, Tiefe Geothermie bedarf allerdings einer genauen Vorerkundung, geologischen Wissens und Erschließungsmethoden.

Besonders eignen sich für petrothermale geothermische Energienutzung Kristallingesteine. „Diese bestehen im Wesentlichen aus Graniten oder granitähnlichen Gesteinen und Gneisen“ (Bußmann 2010, 35; Henningsen 2006). Sie sind im Zuge der variszischen Orogenese entstanden und zählen daher zum variszischen Grundgebirge (Abb. 4) in Mitteleuropa. Kristallines Gestein hat eine geringere Wasserdurchlässigkeit (Permeabilität), weshalb mit künstlichen Rissen im Gestein oft nachgeholfen werden muss.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Geologischer Querschnitt durch Deutschland (Quelle: Latz et al. 2008, 48).

In Mitteleuropa ist eine Gliederung hinsichtlich unterschiedlicher sedimentär-vulkanischen und tektonischen Entwicklung und ihrer Entstehung von Südwesten nach Nordosten möglich. Die Kristallingebiete lassen sich generell aufgliedern in das mittel- und süddeutsche Kristallingebiet, in welchem das Kristallin zwischen wenigen hundert Metern und ca. 1900 m liegt, und in das Norddeutsche Becken, in dem Vulkanite aus Perm und Karbon bis zu sieben km Tiefe geothermisch genutzt werden können, und den kristallinen Gebirgssockel bei Rügen (Bußmann 2010; Henningsen 2006). Im nördlichen Mitteldeutschland sinkt das Kristallin über neun km ab und ist „mit heutiger Standbohrtechnik nicht zu erreichen“ (Bußmann 2010, 83). Der Oberrheingraben spielt durch die Grabenbildung und dadurch weit abgesenktes (und auch heute noch weiter absenkendes) Kristallin eine gesonderte Rolle (Henningsen 2006; Bußmann 2010). Neben dem kristallinen Gebirgssockel sind ebenfalls Erdkrustenverschiebungen, tektonische Störungen, Verwerfungen und Bruchzonen sind mit ihrer erhöhten Permeabilität für die tiefe Geothermie geeignet. Für die Hydrothermale Geothermie, bei der Thermalwasser aus dem Untergrund beteiligt ist, sind „poröse oder klüftige Gesteine […], die Wasser speichern oder durchleiten können“ (Bußmann 2010, 51) Voraussetzung. Dies trifft vor allem auf verkarstete Sedimentgesteine zu. Außer der Durchlässigkeit sind auch die Temperatur des Thermalwassers und die Mächtigkeit der wasserführenden Schicht von Bedeutung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Vorbereitung und Vorerkundung im Ablauf der Erschließung eines Geothermieprojekts (verändert nach Bußmann 2010, 38).

Ein Geothermie-Projekt durchläuft in der Regel fünf Phasen: die geologische Vorerkundung, die Bohrphase, den Bau, die Inbetriebnahme und den Betrieb und schließlich den Rückbau der Anlage. Die Methoden und Phasen müssen je nach System (Hydrothermal/Petrothermal) angepasst werden. Der generelle Weg bis zur Nutzung von Strom oder Wärme verläuft bis auf Ausnahmen ähnlich. In Phase eins schauen sich Experten den Untergrund an, um genaue Standorte für die Bohrung zu finden. Dazu werden bereits vorhandene Bohrungen und seismische Messungen zu Rate gezogen (erdwärme-bayern 2012). Nach der Bewertung der geologischen Eignung wird geklärt, ob weitere Messungen nötig sind, wo Zielhorizonte liegen und wo der Bohrpfad entlanglaufen sollte. Oftmals können auch seismische Datenquellen der Erdöl- und Erdgasindustrie hinzugezogen werden (Bußmann 2010). Erst nach dieser Vorerkundung werden Genehmigungs- und Versicherungsfragen mit Verwaltungen, Ämtern, Anbietern und Versicherungen geklärt (Bußmann 2010). Schließlich wird eine bergrechtliche Aufsuchungserlaubnis erstellt, die genehmigt werden muss. Wird sie genehmigt, wird ein Erschließungskonzept ausgearbeitet und die Bohrphase kann beginnen (Abb. 5). Damit bei der Erschließung und beim späteren Betrieb Risiken möglichst minimiert werden, wird eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Bei Hydrothermalen Systemen ist ein Gesteinshorizont, der heißes Wasser führt, von Bedeutung und muss erschlossen werden. Daher ist der Ort der Bohrung besonders wichtig. Die Lage dieses Aquifers, die Temperatur und die Wasserführung werden erfasst.

Anders als bei hydrothermalen Systemen sind „bei einem petrothermalen System […] insbesondere die Tiefe […], die Gesteinsart […], das Spannungsfeld und die Fracbarkeit sowie das Offenbleiben der geschaffenen untertägigen Wärmetauscherflächen von großer Bedeutung“ (Bußmann 2010, 38).

Die anschließende Bohrung ist sehr aufwändig und je nach Ort und Lage kann sie sehr teuer sein. Sie macht etwa 70 % der durchschnittlichen Kosten einer Geothermalanlage aus (Dannenberg 2012). Firmen mit dem nötigen Wissen und der Ausrüstung sind hierbei gefragt. Nachdem gebohrt wurde, muss das Gebiet um das Bohrloch gesichert, die Anlage installiert und dafür gesorgt werden, dass das Bohrloch nicht wieder einfällt. Dieses „Casing“ (Dannenberg 2012, 133) geschieht in der Regel mithilfe von Stahlrohren und Zement. Die Kosten können teilweise sehr hoch werden, falls die Vorerkundung zu ungenau war und Bohrungen wiederholt werden müssen oder ungeplante seismische Aktivitäten auftreten.

Die Nutzungsdauer einer Anlage variiert stark je nach Wärmepotential und Abnehmer. Der Rückbau ist nicht sehr aufwendig: Die Bohrlöcher werden wieder verdichtet und jegliches Stahl und Gerät recycelt. Das Gebiet wird rekultiviert, indem beispielsweise Bäume gepflanzt werden.

2.4 Oberflächennahe Geothermie

Die oberflächennahe Geothermie ist wohl die in Deutschland verbreitetste Form der Nutzung von Erdwärme, da diese auch von Privatpersonen auf dem eigenen Grundstück genutzt werden kann und von vielen Unternehmen angeboten wird. „Ungefähr 25 % aller Einfamilienhaus-Neubauten in Deutschland wurden laut Statischem Bundesamt 2009 mit einer Wärmepumpenheizung ausgerüstet“ (Bußmann 2010, 138).

Es gibt verschiedene Systeme und Ausführungsarten, oberflächennahe Erdwärme zu gewinnen und zu nutzen: Erdwärmesonden, Bodenkollektoren, Energiepfähle, Brunnenanlagen und weitere. Man kann sie häufig nicht nur zum Heizen, sondern auch zur Kühlung einsetzen. Lediglich die direkte Umwandlung in Strom liegt in Deutschland, anders als es beispielsweise in Island der Fall ist, nicht im Bereich des Möglichen. Die Temperaturen belaufen sich lediglich auf 12 bis 25 °C (Dannenberg 2012). Bereits (Stand Frühjahr 2015) 318.000 oberflächennahe Geothermalanlagen sind in Deutschland im Betrieb und es werden immer mehr (Neuinstallationen 2013: 21100 Anlagen) (Bundesverband Geothermie 2015). „Die Zahl der Arbeitsplätze [im Bereich der oberflächennahen Geothermie; d.V./R.H.] stieg auf […] 12800 [im Jahre 2011; d.V./R.H.]“ (Hoffmann 2014, 47). Die oberflächennahe geothermische Energie lässt sich vielfältig einsetzen. Eine effiziente Alternative stellt sie auch im Bau von Verkehrswegen dar, wenn dadurch der herkömmliche Winterdienst ersetzt werden kann und somit eine höhere Sicherheit auf den Straßen geboten werden kann (Katzenbach et al. 2005). In diesem Kapitel werden nun die vier wichtigsten Systeme zur Gewinnung oberflächennaher Geothermie erläutert, die auf einer Wärmepumpe basieren.

1)Die Wärmepumpe

Das zentrale Bauteil der folgenden vier Systeme ist eine Wärmepumpe. Sie ist eine Maschine, die einen Wärmestrom von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres überträgt. Das Prinzip ist dasselbe wie bei einem Kühlschrank, nur umgekehrt: während ein Kühlschrank einem Raum Wärme entzieht und in seine Umgebung abgibt, entzieht die Wärmepumpe dem Außenbereich die Wärme und gibt sie zum Heizen beispielsweise in ein Haus ab (Krüger 2014). Innerhalb der Wärmepumpe befindet sich ein Arbeitsmittel, ein sogenanntes Kältemittel. Es nennt sich so, weil die Wärmepumpe „auf Basis der Kältemaschinentechnik entwickelt wurde, [zumeist ist es ein; d.V./V.W.] halogenierter Fluorkohlenwasserstoff“ (Wesselak et al. 2013, 411). Das System besteht aus drei jeweils in sich geschlossenen Kreisläufen, verbunden mit Wärmetauschern (Abb. 6). In diesem Prozess ändert sich der Druck und Aggregatzustand des Kältemittels. Dieses besitzt einen besonders geringen Siedepunkt, welcher zu einer schnellen Verdampfung führt, wodurch wiederum der Aggregatzustand bereits bei geringen Temperaturunterschieden von flüssig zu gasförmig wechseln kann. Das flüssige Mittel verdampft (Verdampfer), dann wird es verdichtet im Kompressor (je nach Kältemittel zu 25 bar [Wesselak et al. 2013]). Das Gas, nun mit hohem Druck, wird zu einem Kondensator weitergeleitet, der die Wärme an den Heizkreislauf abgibt und es vollständig kondensiert. Sinnvoll im Zusammenhang mit Wärmepumpen ist eine Flächenheizung (Fußboden-, Wandheizung), da diese eine niedrige Vorlauftemperatur benötigt (Dannenberg 2012).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Die Funktionsweise einer Wärmepumpe (Quelle: Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS 2015).

2)Erdwärmesonden

Die Verwendung von Erdwärmesonden ist die häufigste Art der Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme (Dannenberg 2012). „Es handelt sich dabei um vertikale Bohrungen von meist 50 bis 250 m Tiefe, in die überwiegend Kunststoffrohre […] eingebaut werden“ (Sass et al. 2013, 6). In die Rohre werden Wasser und ein Frostschutzmittel gefüllt (auch Sole genannt), daneben, im gebohrten Loch, wird Zement in die Zwischenräume zur Stabilität gegeben. Das Wasser in dem Rohr, welches unten umgelenkt und erwärmt wird, tritt dann in der Form eines U’s wieder an die Oberfläche und gibt die Wärme im Verdampfer an das Kältemittel ab.

Der benötigte Platz, beispielsweise auf einem Privatgrundstück, ist eher gering und die Bohrung ist am Ende des Baus unsichtbar. Probleme liegen allerdings bei der Berührung des Grundwasserschutzes, weswegen oftmals eine Erdwärmesonde nur mit behördlicher Erlaubnis installiert werden kann. Weiterhin müssen manchmal mehrere Bohrungen durchgeführt werden, was zu hohen Kosten führt, die für Privatpersonen kaum zu tragen sind. Werden mehrere Erdwärmesonden eingesetzt, können auch große Gebäude oder ganze Wohnblöcke davon profitieren (Bußmann 2008).

3)Bodenkollektoren

Zu weniger hohen Kosten führen horizontal in den Boden gelegte Bodenkollektoren, da für diese keine Bohrung nötig ist. Sie werden in einer Tiefe von 1,2 m bis 1,5 m und mit einem Abstand von jeweils 0,3 m bis 0,8 m im Untergrund verlegt und nutzen die durch die Sonneneinstrahlung erhöhte Temperatur (Zilch et al. 2013; Sass et al. 2013). Die Kollektoren in Form von Kunststoffrohren sollten am besten in einem Sandbett in Schlangenform verlegt werden und mit Sand bedeckt werden. Darüber kann Muttererde gelegt und das Gelände bepflanzt werden, allerdings nur mit Rasen oder kleineren Sträuchern, da tiefgreifende Baumwurzeln oder Flächenversiegelungen der Anlage schaden. Das Wasser in den Rohren gefriert im Winter, „dabei wird die beim Phasenwechsel des Wassers vom flüssigen in den gefrorenen Zustand freiwerdende latente Wärme genutzt“ (Zilch et al. 2013, 1688). An der Außenseite des Hauses wird ein Verteiler angebracht, der die gewonnene Energie zur Wärmepumpe leitet. Nachteil dieser Methode ist vor allem die Notwendigkeit einer großen, unbebauten, keineswegs schattigen Fläche. Diese sollte etwa doppelt so groß sein, wie die Fläche, die man im Haus beheizen möchte (Bußmann 2008). Des Weiteren „ist eine Erdwärmeheizung mit oberflächennahen Kollektoren etwa 10 % weniger effektiv als eine Sonde“ (Sass et al. 2013, 7), weil die Bodentemperatur in dieser geringen Verlegetiefe die Kollektoren klimatisch stark beeinflusst (Zilch et al. 2013).

Streng genommen und nach der Definition von Wagner (2009) („Das bedeutet, dass damit nicht die Nutzung der Wärme der obersten 15 bis 20 Meter des Erdreichs gemeint ist, denn die hierbei vorhandene Wärmeenergie wird fast ausschließlich durch die Sonne bereitgestellt“ [Wagner 2009, 253]) kann bei dieser Methode nicht nur von Geothermienutzung gesprochen werden. Die Einflussgröße anderer Parameter wie Grundwasser, Versickerungswasser und Sonnenenergie überwiegt in diesem Fall deutlich.

4)Grundwasserwärmepumpen

Mithilfe eines Förderbrunnens kann Grundwasser dem Untergrund entnommen werden, aus dem dann mithilfe einer Wärmepumpe Wärme entzogen wird. Das abgekühlte Wasser wird dann mit einem zweiten Brunnen, dem Schluck-, Reinjektions- oder Infiltrationsbrunnen zurück in die Erde geleitet. Damit dieser nicht von durch dem Boden entnommenen Stoffen verstopft, wird oftmals ein Filter angebracht (Bußmann 2008). Die Einrichtung einer solchen Anlage lohnt sich ab einer Leistung von 15 kW (Sass et al. 2013, 7) und benötigt keine große Fläche, jedoch geeignete hydrogeologische Voraussetzungen, über die es sich vorab zu informieren gilt.

5)Energiepfahl

Als Energiepfähle bezeichnet man „statistisch erforderliche Gründungs- und Verbauwandelemente, die durch den Einbau von Wärmetauscherröhrchen sowohl statisch, als auch thermisch genutzt werden“ (Zilch et al. 2013, 1688). Der Einbau der Wärmetauscherrohre kann nur beim Bau des Objektes realisiert werden und ist im Nachhinein bei Bestandsbauten nicht mehr zu verwirklichen. Diese Methode funktioniert dann einer Erdwärmesonde entsprechend, nur in geringerer Tiefe, und ist besonders günstig, da Bohrungen gespart werden können. Die Lage, Tiefe und Anzahl der Betonpfähle richtet sich dabei nach der Statik.

6)Heizen und Kühlen

Eine Geothermalanlage mit Wärmepumpe kann anders als andere Heizungen auch als Klimaanlage fungieren. Die kühlen Temperaturen nimmt man zum Beispiel mithilfe einer Erdwärmesonde aus dem Untergrund, die Wärmepumpe kann dabei ausgeschaltet bleiben. „Lediglich die Umwälzpumpen arbeiten, um die kühle Flüssigkeit aus der Erde zu fördern, sowie das Wasser […] zu verteilen“ (Sass et al. 2013, 8). Dieses System lohnt sich vor allem bei großen Gebäuden, wie bei dem ProSiebenSat.1-Bürogebäude in Unterföhring, welches vor kurzem mit solch einem System ausgestattet wurde. Es „hat eine Kälteleistung von 200 kW und versorgt rund 4.500 m² Bürofläche mit Raumkälte“ (EUWID 2015, 29, 5). Vorteil sind die Rückführbarkeit der im Winter entzogenen Energie im Sommer und somit geringeren Stromkosten in der folgenden Heizperiode. Daher ist das Kühlen mit Erdwärmesonden besonders umweltfreundlich (Sass et al. 2013).

2.5 Tiefe Geothermie

Die Tiefengeothermie (ab 400 m Tiefe) unterscheidet sich in Hydrothermale Geothermie und Petrothermale Geothermie. Der wesentliche Unterschied befindet sich darin, dass an Hydrothermalen Systemen heißes Wasser oder heißer Dampf und an Petrothermalen Systemen heißes Gestein beteiligt ist. Es bestehen wiederum verschiedene Verfahren zur Energiegewinnung. In den folgenden beiden Kapiteln werden diese Verfahren erläutert und Beispiele für schon bestehende Kraftwerke dargestellt.

2.5.1 Hydrothermale Systeme

Hydrothermale Systeme lassen sich in Systeme mit hohem Temperaturdargebot, das sind Thermalgewässer mit heißem Wasser oder heißem Dampf von mehr als 175 °C in vulkanischen Gebieten, und Systeme mit niedrigem Temperaturdargebot, wie Thermalquellen und Aquifere mit Temperaturen von 20 bis 175 °C warmen Wasser, unterscheiden. Das Temperaturdargebot nennt man auch Enthalpie. Ab einer Temperatur von 20 °C oder höher wird Wasser als Thermalwasser bezeichnet (Bußmann 2010; Kaltschmitt 2013). Die wasserführenden Schichten, in denen sich Thermalwasser finden lässt (auch Aquifere), können in verschiedene Aquifertypen unterteilt werden: Poren-, Kluft- und Karstaquifere. Während Porenwasserleiter in Locker- oder Festgestein und Kluftwasserleiter in Festgestein vorkommen, befinden sich Karstwasserleiter in verkarstetem Gestein. Sie entstehen, wenn das in Karbonatgestein enthaltene Calciumkarbonat sich in Wasser löst und teilweise so fortgetragen wird, dass viele miteinander vernetzte Hohlräume unter der Erde entstehen. „Trifft eine Bohrung auf solche Karsthohlräume, können sehr hohe Produktionsraten erzielt werden“ (Bußmann 2010, 52).

Hochenthalpiegewässer kommen nur in Gebieten mit anormal hohen Temperaturen unter der Erde vor, etwa in Vulkangebieten (siehe auch Kapitel 3.1). Sie ermöglichen eine wirtschaftlich vertretbare Stromproduktion, während Niedrigenthalpievorkommen vielmehr landwirtschaftlich, industriell, balneologisch oder für Nah- und Fernwärmenetze genutzt werden (Stober 2014). Die Erschließung der Aquifere erfolgt mittels Bohrung. Wasser wird entnommen, die Energie abgenommen und mithilfe eines Wärmetauschers und über eine zweite Bohrung wieder zurückgeführt. Bei Thermal- und Heilbädern kann das Wasser direkt eingesetzt werden, ansonsten wird das Wasser im Normalfall nicht verbraucht, sondern nur ‚abgekühlt‘ und die gewonnene Energie treibt wiederum eine Turbine oder ein Fernwärmenetz an (Bußmann 2010). Klassische Turbinen können in Deutschland aufgrund der zu geringen Thermalwassertemperatur nicht verwendet werden. Aus diesem Grund wurden zwei verschiedene Technologien mit Sekundärkreislauf entwickelt, die im Folgenden erläutert werden. Vorteil dieser Methode ist unter anderem, dass die Trennung von Thermal- und Kraftwerkskreislauf ein Einsetzen eines anderen Arbeitsmittels statt Wasser ermöglicht (Wagner 2009).

ORC-Kraftwerk

Bei einem Organic-Ranking-Cycle-Kraftwerk wird meist einem höhersiedenden Arbeitsmittel der Vorzug gegeben, üblicherweise Kohlenwasserstoffe oder Fluorkohlenstoff. Das Kraftwerk (Abb. 7) besteht zunächst aus einem Kreislauf, in dem das Thermalwasser mittels einer Förderbohrung aus der Erde entnommen wird (Wesselak 2013). Dessen Wärme wird durch einen Verdampfer und einen Vorwämer an das Arbeitsmedium abgegeben. Dann fließt das heruntergekühlte Wasser wieder in den Untergrund.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Das ORC-Kraftwerk (Quelle: Dannenberg 2012, 135 [nach Quanschning 2009]).

In einem zweiten Kreislauf wird das gasförmige Medium abgekühlt, sodass es kondensiert. Für die Abkühlung benötigt man eine Turbine, für die anschließende Kondensation einen Kondensator. Dieser wird mit Kühltürmen auf einer entsprechend nicht zu warmen Temperatur gehalten. Über eine Speisepumpe gelangt das nun flüssige Arbeitsmittel wieder unter die Erde. Vorteile dieses Kraftwerks sind kleine, preiswerte Turbinen und ein beständiger Betriebsauflauf aufgrund von fehlenden Erosions- oder Korrosionseinflüssen an der Turbine (Zahoransky 2015). Allerdings sind die hohen Kosten für Wärmetauscher ein wesentlicher Nachteil.

Kalina-Prozess

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Der Kalina-Prozess (Quelle: Dannenberg 2012, 135 [nach Quanschning 2009]).

„Neben dem ORC-Kreisprozess hat sich in den vergangenen Jahren eine neuartige Technologie zur Nutzung von Niederenthalpieressourcen implementiert, der Kalina-Kreisprozess. Dieser wurde 1984 von dem russischen Ingenieur Alexander Kalina vorgestellt“ (Wesselak et al. 2013, 433). Das Arbeitsmittel ist im Gegensatz zum ORC-Prozess ein Ammoniak-Wasser-Gemisch, also ein binäres (Zweikomponenten-) Gemisch. Das binäre Fluid verdampft und kondensiert mit zunehmender Temperaturerhöhung, statt isotherm, was effizienzsteigernd wirkt. Der Kalina-Prozess bietet sowohl Vorteile, als auch Nachteile gegenüber dem ORC-Prozess, „Die Zahl der realisierten Anlagen nach dem Kalina-Prozess ist derzeit aber noch zu gering, um eine Aussage zu treffen, inwieweit die theoretischen Vorteile tatsächlich auch realisiert werden können“ (Wesselak et al. 2013, 439). Als Vorteile lassen sich der generell höhere thermische Wirkungsgrad durch gezielte Konzentratsveränderungen des Gemischs und das umweltfreundlichere Arbeitsmittel nennen. Nachteile sind das stark korrodierende Ammoniak und die größere Anzahl an anzubringenden Maschinen (Abb. 8) (Dannenberg, 2012; Wesselak et al. 2013). Der Kreislauf ist eine Erweiterung des ORC-Kraftwerks mit ein paar wenigen effizienzsteigernden Unterschieden: Nachdem die Wärme über den Verdampfer nutzbar gemacht wurde, wird das flüssige und gasförmige Arbeitsmittel mithilfe eines Separators in eine ammoniakreiche und eine –arme Lösung getrennt, um ersteres zu verdampfen und letzteres zu kondensieren. „Da der Turbinendampf dann höher als die Speisewassertemperatur ist, kann der Abdampf noch zur regenerativen Speisewasser-Vorwärmung genutzt werden“ (Zahoransky 2015, 456).

Die Wärmequelle von 23 (Stand 2015) in Deutschland installierten Anlagen ist Thermalwasser (Bundesverband Geothermie 2015). Weitere vier arbeiten mit einer Tiefenerdwärmesonde. Die Anlage in Neustadt-Glewe (Mecklenburg-Vorpommern) wurde bereits bezüglich der Stromproduktion stillgelegt aufgrund eines technischen Defekts. Das Heizwerk erfüllt jedoch noch immer (seit 2003, 0,2 MW) seinen Zweck. In den ersten Kraftwerken Deutschlands, in Neustadt-Glewe, wie auch in Landau (Rheinland-Pfalz, seit 2007, 3,0 MW) und Simbach (Bayern, seit 2009, 0,2 MW) wurde ein ORC-Kraftwerk angebracht. In Unterhaching (Bayern, seit 2009, 3,36 MW) und Bruchsal (Baden-Württemberg, seit 2009, 0,55 MW) steht ein Kalina-Kraftwerk. Der größte Teil der hydrogeothermischen Anlagen steht in Bayern, allerdings befinden sich ebenfalls eine in Baden-Württemberg, eine in Brandenburg, drei in Mecklenburg-Vorpommern und zwei in Rheinland-Pfalz (Bundesverband Geothermie 2015).

In Unterhaching beispielsweise stieß man Ende 2004 bei Bohrungen auf 122 °C heißes Wasser. Die wasserführende Schicht lag in 3.300 m Tiefe in einem Karstaquifer. 150 l Wasser pro Sekunde können gefördert werden, aus dem die Wärme ‚entzogen‘ wird. Die Kalina-Kreislauf-Anlage gehört der Firma Geothermie Unterhaching GmbH und Co. KG, welche wiederum der Gemeinde mit ihren etwa 22.000 Einwohnern gehört. Ein Teil der Energie läuft in ein Fernwärmenetz, womit zum Beispiel die Schule und das Rathaus beheizt werden. Der größere Teil jedoch wird zu dem Kalina-Kraftwerk gelenkt. Aufgrund des Entschlusses, statt dem bisher typischen ORC-Kreislauf ein Kalina-Kreislauf zu verwenden, bekam die Gemeinde in der Nähe von München einen Zuschuss von der Bundesregierung (Bußmann 2008; Bundesverband Geothermie 2015).

2.5.2 Petrothermale Systeme

Petrothermale Systeme werden sowohl zur Stromerzeugung als auch zur Wärmegewinnung verwendet. Die Systeme bezeichnet man als Enhanced-Geothermal-Systems (EGS), früher jedoch nannte man sie HDR-Systeme aufgrund der fälschlichen Annahme, die anzutreffenden Gesteine, wie Gneise und Granit, seien immer trocken. Sie sind meistens jedoch nass oder zumindest feucht und geklüftet, manchmal mehr und manchmal weniger. In ihnen zirkuliert ein salinares, gasreiches Fluid (Ingebritsen/Manning 2009). Synonym zu dem Begriff EGS steht DHM (Deep Heat Mining), außerdem kann die Abkürzung EGS auch für Engineered-Geothermal-Systems stehen, wenn man statt von magmatischem Gestein von tiefliegendem und dichtem Sedimentgestein spricht. Zwei bedeutende Unterschiede in beiden Systemen sind zum einen, dass sie unterschiedlich beeinflusst werden: magmatisches Gestein von Tektonik und Thermik, Sedimentgestein von Diagenese und Verfestigung (Stober 2014). Zum anderen breitet sich das Wasser, welches in die unterirdischen Klüfte eingeflößt wird, im magmatischen Gestein vor allem in den vorhandenen oder künstlich erzeugten Wegsamkeiten aus. Im Sedimentgestein kann das Wasser sich besser verteilen, wodurch es zu einer Dämpfung kommt, was wiederum ein geringes Risiko für seismische Aktivitäten mit sich bringt. Wenn das Wasser in den Untergrund gegeben wird, um damit künstliche Risse und Klüfte zu erzeugen, spricht man von Stimulation oder auch Hydraulic Fracturing. In Deutschland sind 85 bis 90 % aller geologischen Formationen nur über eine künstliche Stimulation zu erschließen (Deutscher Bundestag 2003).

Nachdem diese künstliche Wegsamkeit erschaffen wurde, wird zunächst eine Freispülung von Ablagerungen vorgenommen (Bauer et al. 2014b). Dann wird durch eine Injektionsbohrung kaltes Wasser eingebracht (Abb. 9). Das Kluftnetz reagiert in diesem Fall wie eine Art Wärmetauscher, das erwärmte Wasser gelangt danach über eine Produktionsbohrung wieder an die Oberfläche. Der Abstand der Bohrungen beträgt in der Regel zwischen 200 und 2000 m, ein ganzes geothermisch genutztes Feld beträgt somit etwa 10 km² (Bauer et al. 2014b). Da die Stromerzeugung hier im Vordergrund steht, werden Temperaturen von um die 200 °C und eine Tiefe von 5000 m anvisiert (Stober 2014). Eine solche Dublette, das heißt eine Anlage mit zwei Bohrungen, findet man unter anderem in Groß Schönebeck (Brandenburg, seit 2006 in Betrieb) und in Basel (Schweiz, 2006-2008). Oft wird zu dem Wasser noch ein weiteres Mittel gemischt, wie Natriumcarbonat, Salzsäure, Natriumhydroxid oder Hafnium (Portier et al. 2007). Diese Stimulationsform nennt man chemische Stimulation.

Neben der hydraulischen Stimulation (Wasser) und der chemischen besteht noch die Möglichkeit der stützmittelgebundenen Stimulation: „Die Operation basiert auf diversen Stützmitteln (Proppants) in Verbindung mit hochviskosen Gelen und der Injektion von Chemikalien, die Teile des Gesteins lösen und anschließend als sogenannter ‚Flow-Back‘ mit der Spülung an die Oberfläche befördert wird“ (Bauer et al. 2014b, 251, Stober 2014). Der Einsatz der Stimulationsarten geschieht je nach Dauer, Häufigkeit, Zusatzstoffen, Intensität, Größe und Anzahl der Stimulationsabschnitte (Stober 2014). Laut MIT (2007) sollte das erfolgreich stimulierte Gebirgsvolumen 108 m³ betragen, laut Rybach (2004) sogar das Doppelte: 208 m³. Während Petrothermale Projekte in den 70er Jahren nur 250 bis 3500 m tief waren, sind sie heute bis zu 5000 m tief mit einer Mindesttemperatur von 150 °C (Bauer et al. 2014b). „Um ein Dublettensystem wirtschaftlich betreiben zu können, sollte ein Massenstrom des Geofluids von 50 bis 100 kg/s erreicht werden können“ (Bauer et al. 2014b, 249).

Neben Doubletten existieren ebenfalls Tripletten (Abb. 9) mit zwei Förderbohrungen, zum Beispiel im französischen Soultz-sous-Forêts (seit 1987 in Betrieb). In Hannover (seit 2009) und Horstberg (2003-2004) werden Ein-Bohrloch-Konzepte in Sedimentgesteinen betrieben. Das HDR-Verfahren wurde in den 1970ern von der Firma Los Alamos National Laboratories in New Mexico/USA entwickelt und angewendet. Seitdem wurden geothermische Anomalien zunehmend gesucht und zum Beispiel in Basel gefunden. Aufgrund der Injektionsbohrung wurde dort ein Beben erzeugt, weswegen 2007 die Arbeiten eingestellt wurden (siehe auch Kapitel 3.3). Nachdem auch 2010 die Abschlussanalyse missglückte, wurde das HDR-Projekt aufgegeben (Quaschning 2009).

3 Potenziale der geothermischen Energieerzeugung in Deutschland

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Abbildung 9: Triplette eines petrothermalen Hot-Dry-Rock-Verfahrens (Quelle: Bußmann 2010, 49).

Lange Zeit glaubte man, dass Erdwärme nur in der Nähe von Vulkanen nutzbar sei. Viel zu spät erkannte man diesen Irrtum: Erdwärme gibt es überall auf der Welt, nur ist die Erde in Richtung der Oberfläche an manchen Orten eben wärmer als an anderen. In Island zum Beispiel kommt 60 % der Primärenergie aus Erdwärme (Stober 2014; Bußmann 2008), denn dort befindet sich eine hohe nutzbare geother-mische Anomalie. Auch in Deutschland gibt es weniger und besser geeignete Regionen, doch zumindest die oberflächennahe Geothermie ist auch bei uns überall nutzbar. Die geeigneten Regionen, was für einen Stellenwert die Geothermie für die Energiewende hat und welche Umweltrisiken es dabei gibt, sind im folgenden Kapitel dargestellt.

3.1 Theoretisches Potenzial und dessen Nutzbarkeit

Da vulkanische Eruptionen mehr als zehn Millionen Jahre in Deutschland zurückliegen, können in Deutschland nur Niedrigenthalpiequellen genutzt werden. Es befinden sich immerhin zahlreiche Thermalwasserreservoirs sogar in nur zwei bis drei km Tiefe in Aachen oder Wiesbaden (Rau 1978). Aber sogar in Deutschland gibt es geothermische Anomalien im Südwesten.

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Abbildung 10: Karte der Thermalwasservorkommen in Deutschland (Quelle: Bußmann 2010, 28).

Zur Bestimmung geothermischer Potenziale müssen Forschungen bezüglich Thermalwasservorkommen (für die hydrothermale Nutzung) und Temperaturverteilungen ab 3000 m Tiefe (für Tiefenerdwärmesonden, hydrothermale und petrothermale Nutzung) betrachtet werden. Es bestehen längst nicht für alle Regionen Deutschlands genügend Messungen, um ein ganzheitliches Bild der Ressourcen zu erstellen.

Bezüglich der Thermalwasservorkommen lassen sich vor allem das Norddeutsche Tiefland (Norddeutsches Becken), das Oberrheintal (Oberrheingraben) und das Gebiet zwischen der Donau und den Alpen (Süddeutsches Molassebecken) nennen (Abb. 10) (Dannenberg 2012; Stober 2014; Bußmann 2010; Bauer et al. 2014b; Meinhold 1984).

Im Norddeutschen Becken haben sich unterirdische Gesteinsschichten über ein großes Gebiet abgesenkt, die entstandene Senke hat sich wieder mit Sedimenten angefüllt. Der Oberrheingraben ist in Bezug auf seine Umgebung abgesunken, und sinkt immer noch ab. Die Erdkruste dehnt sich an dieser Stelle aus, auch der Graben hat sich mit Sedimenten gefüllt. Das Molassebecken besteht währenddessen aus Material, welches von den Alpen abgetragen und dort abgelagert wurde. In diesen Regionen findet man Heißwasser-Aquifere zur Energiegewinnung. Das Wärme- beziehungsweise Strompotenzial in diesen Regionen Deutschlands beträgt unterschiedliche Werte: Im Norddeutschen Becken ist das Potenzial am größten mit 6,8 EJ.

Tabelle 1: Übersicht hydrothermal genutzter Geothermie-Projekte in Deutschland (Quelle: verändert nach Bundesverband Geothermie 2015).

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Danach steht der Oberrheingraben mit 1,8 EJ im Bereich des Buntsandsteins und 0,24 EJ im Bereich des Muschelkalks, am Ende der Reihe das Molassebecken mit 0,6 EJ. Das Potenzial in Deutschland beträgt etwa 9,4 EJ (Bußmann 2010). Der Wärmefluss an der Erdoberfläche liegt nördlich des Mains bei 50 bis 80 m W/m², im Oberrheingraben sogar bei 80 bis 120 m W/m² (Frisch/Meschede 2005). Diese Energie wird mittels ORC-Turbinen und dem Kalina-Prozess in mehreren geothermischen Kraftwerken genutzt (Tab. 1).

Ebenfalls von Bedeutung sind die Temperaturen in Deutschland ab 3000 m Tiefe. In dieser Tiefe sind vor allem zwei Gebiete auffällig: ein Gebiet im Südosten Hannovers und eines am nördlichen Oberrheingraben bei Landau in der Pfalz (Abb. 11). Hier ist undurchlässiges, kristallines Gestein schon in einer Tiefe von 1700 bis 1800 m anzutreffen, statt in den für Mitteleuropa üblichen vier bis fünf km. Des Weiteren ist auch das Niedersächsische Becken in der Nähe von Diepholz begünstigt, allerdings gibt es hier durch kohleführende Schichten und Salzdome veränderte Untergrundverhältnisse (Rau 1978).

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Abbildung 11: Geothermische Temperaturen in Deutschland in 3000 Metern Tiefe (rechts) und 5000 Metern Tiefe (links) (Quelle: Dannenberg 2012, 129).

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In 5000 m Tiefe verändern sich diese Strukturen, beziehungsweise sie verlagern sich etwas (Abb. 12): Die Anomalie bei Hannover bleibt, die im Oberrheingraben ‚wandert‘ etwas nach Süden. Des Weiteren lassen sich Temperaturen von 180 bis 190 °C rund um Münster feststellen. In Leipzig lohnt es sich beispielsweise in 3000 m Tiefe zu heizen (Temperatur 120 °C), in Hannover in 5000 m Tiefe Strom zu produzieren (Temperatur 190 °C) (Paschen et al. 2003). Die tiefen Bereiche mit hohen Temperaturen können mittels Hot-Dry-Rock-Verfahren auch ohne Heißwasser- oder Dampfvorkommen erschlossen werden. Mehrere petrothermale Kraftwerke wurden bereits bei bedeutenden geothermischen Anomalien errichtet (Tab. 2).

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