Tiefengeothermie

Unter oberflächennaher Geothermie ist die Nutzung der Erdwärme aus bis zu 400 Metern Tiefe zu verstehen. Häufig kommen dafür Flächenkollektoren (Erdkollektoren) zum Einsatz, die in relativ geringer Tiefe (meist 1,5 m) horizontal im Erdboden verlegt werden. Zudem sind auch Erdwärmesonden geeignete Überträger. Anders als bei den Kollektoren sind diese vertikal oder in einem schräg verlaufenden Bohrloch eingebracht. Da oberflächennahe Wärme auf niedrigem Temperaturniveau vorliegt, muss sie erst auf ein nutzbares Temperaturniveau gebracht werden. Hierfür werden Wärmepumpen eingesetzt. Die Kunststoffrohre der Flächenkollektoren oder Erdwärmesonden fungieren als Wärmetauscher, die dem Boden Wärme entziehen, diese zu den Wärmepumpen leiten und sie dort auf ein nutzbares Temperaturniveau bringen.

Bei der tiefen Geothermie wird ein Wärmereservoir genutzt, das mindestens 400 bis mehrere Tausend Meter unter der Erde sitzt. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur – ca. drei Grad pro 100 Meter. Im Gegensatz zur oberflächennahen Geothermie sind für die Nutzung der Erdwärme aus solchen Tiefen Bohrungen von mehreren Hundert bis mehreren Tausend Metern Tiefe erforderlich.

Die eingesetzte Bohrtechnologie wird zur Gewinnung von Erdöl oder Erdgas bereits seit über 100 Jahren erfolgreich eingesetzt. Die Bohrtechnik ist abhängig von den geologischen Verhältnissen und dem Zweck der Bohrung. Daher gehen Tiefbohrungen stets sorgfältige Analysen wie seismische, gravimetrische oder magnetotellurische Explorationen des Untergrunds voraus. Je nach Art der Untersuchung lassen sich einzelne Schichten oder Störungszonen identifizieren und eine akkurate Planung der Bohrungen ist möglich. Diese Vorgehensweise reduziert das Fündigkeitsrisiko. Durch geeignete Maßnahmen bei der Ausführung der Bohrungen wird außerdem sichergestellt, dass schützenswerte Güter wie das Grundwasser nicht negativ beeinflusst werden.

Ansatz, den die Stadtwerke Düsseldorf verfolgen

Hiermit ist die Nutzung von heißem zirkulierendem Grundwasser oder Dampf gemeint. Genau genommen werden wasserführende Schichten (Aquifere) in enormer Tiefe (zwischen 400 und 5.000 Metern) genutzt. Dafür sind meist zwei Bohrungen notwendig:

• die Produktionsbohrung/Förderbohrung

• und Reinjektionsbohrung.

Geothermieanlagen verfügen oft über ein oder mehrere Bohrungspaare (auch Dubletten genannt), die für die genannten Tiefbohrungen bedeutend sind.

Das bei der Produktionsbohrung gefundene Thermalwasser steht im Untergrund in der Regel unter Druck, sodass es beim Anbohren der thermalwasserführenden Gesteinsschicht im Bohrloch selbst aufsteigt. Je nach Region ist zusätzlich eine Pumpe notwendig, um das Wasser ab einer gewissen Tiefe an die Erdoberfläche zu befördern. Für einen ausgeglichenen Thermalwasserhaushalt wird das thermisch genutzte Wasser durch die Reinjektionsbohrung – möglichst weit entfernt von der vorigen Förderbohrung – wieder in die thermalwasserführende Gesteinsschicht zurückgeführt. So beeinflusst das abgekühlte Wasser nicht die Temperatur des Wassers, das in der Förderbohrung aufsteigt.

Gebiete, in denen hydrothermale Geothermie bereits genutzt wird, befinden sich unter anderem im Süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und im Norddeutschen Becken. Die niederrheinische Bucht, in der sich Düsseldorf befindet, ist ein Ausläufer des Norddeutschen Beckens.

Petrothermale Tiefengeothermie wird dort eingesetzt, wo kein natürliches Thermalwasserreservoir genutzt werden kann. Bei sogenannten Enhanced Geothermal Systems (EGS) wird sehr kompaktes, wenig geklüftetes und heißes Gestein in einigen Kilometern Tiefe über hydraulische Stimulationsverfahren (hydraulic fracturing) wassergängig bzw. durchlässig gemacht. Um das Tiefengestein aufzubrechen, wird mittels Tiefbohrungen kaltes Wasser in den Untergrund gepresst. Dadurch entstehen feine Risse oder Klüfte im Gestein, durch die das Wasser zirkulieren und sich erhitzen kann. Die neu geschaffenen Wegbarkeiten zwischen den Bohrungen stellen einen Wasserkreislauf her, über den das aufgeheizte Wasser nach oben gepumpt und energetisch nutzbar wird.

Geothermie bezeichnet die Nutzung der in der Erdkruste natürlich vorkommenden Wärmeenergie zum Heizen, Kühlen oder für die Stromerzeugung.

Geothermie ist, ganzjährig und regional verfügbar, witterungsunabhängig, benötigt keine Verbrennung fossiler Rohstoffe und ist deshalb kostenstabil.

In Deutschland werden derzeit 38 Anlagen zur Nutzung von Geothermie betrieben.

Für die Geothermie gilt: Größere Tiefe- höhere Temperatur. Bei Bohrtiefen von bis zu 400 m und Temperaturen zwischen 8 – 15 °C spricht man von oberflächennaher Geothermie. Unter zusätzlichem Einsatz einer Wärmepumpe lassen sich damit einzelne Häuser und kleine Stadtquartiere beheizen.

Temperaturen von über 70 °C werden in der Regel bei tiefer Geothermie vorgefunden. Die Wärme des geförderten Tiefenwassers reicht hier ohne Nacherhitzung aus, um ein Fernwärmenetz zu erwärmen und ganze Stadtteile zu versorgen. Bei Temperaturen von über 120 °C ist zudem Stromerzeugung möglich.

Bei Bohrtiefen unterhalb von 400 m und Temperaturen geringer als 70 °C spricht man von mitteltiefer Geothermie. Durch den Einsatz einer Industriewärmepumpe eingesetzt, können auch mit dieser Technologie Stadtteile versorgt werden.

Bei der hydrothermalen Geothermie werden natürliche Tiefenwasservorkommen genutzt. In porösen Gesteinsschichten, wie Sand- oder Kalkstein, kann heißes Wasser zirkulieren.

Dieses wird mithilfe einer Förderbohrung an die Oberfläche gebracht und gibt. in einem Wärmetauscher seine Energie z. B. an ein Fernwärmenetz ab. Anschließend wird es über die Injektionsbohrung zurück in die Entnahmeschicht geleitet. So bleibt das Tiefenwasser innerhalb eines geschlossenen Systems.

Hydrothermale und petrothermale Geothermie sind beide Teilgebiete der Tiefengeothermie. Während bei der hydrothermalen Tiefengeothermie natürliche Tiefenwasservorkommen genutzt werden, benötigt die petrothermale Geothermie eine hydraulische Stimulation des heißen Gesteins . Hierbei werden bestehende Kluftsysteme künstlich erweitert. In die nun durchlässige Gesteinsformation wird kaltes Wasser geleitet wird. Dieses erwärmt sich und gelangt im Anschluss wieder an die Oberfläche.

In Düsseldorf und Duisburg werden wasserführenden Schichten für die hydrothermale Geothermie gesucht. Petrothermale Systeme sind nicht geplant.

Da die Erdwärme rund um die Uhr und ganzjährig verfügbar ist, gehört die Geothermie zur grundlastfähigen Energiegewinnung.

Zudem lässt sie sich ausgezeichnet mit anderen Energiequellen kombinieren So können in Spitzenlast-Zeiten weitere Energiequellen hinzugezogen werden, falls die Energiemenge der Geothermie nicht ausreichen sollte.

Ein Gesteinskörper wird als Aquifer oder Grundwasserleiter bezeichnet, wenn er dafür geeignet ist Grundwasser weiterzuleiten (DIN 4049-3), unabhängig davon, ob der er tatsächlich Wasser führt oder nicht.

Mit Geothermie können Städte ihren Bürger:innen eine kostengünstige, preisstabile und klimaneutrale Wärmeversorgung bieten.

So gewinnt die Stadt als technologiefreundlicher und umweltbewusster Standort an Attraktivität. Auch energieintensive Betriebe können profitieren, auf die mit der 2021 beschlossenen CO₂-Steuer Mehrkosten zukommen. Wärme aus Geothermie hiervon ausgenommen, dadurch besteht ein wachsendes Einsparpotential.

Erdwärme bezeichnet die im Untergrund gespeicherte Wärme. Je nach Tiefe unterscheiden sich die Temperaturen stark: in 3 km Tiefe werden durchschnittlich 100 °C gemessen , für den Erdkern hingegen werden Temperaturen von über 5000 °C vermutet. Rund 99 % des Erdballs sind dabei heißer als 1000 °C!

Der größte Teil der Wärme entstand vor rund 4,6 Milliarden bei der Entstehung der Erde und ist bis heute vorhanden. Die Erde strahlt täglich viermal mehr Energie ab, als wir Menschen verbrauchen können. Der Wärmevorrat nimmt dennoch nicht ab, da etwa 70 % des an die Oberfläche steigenden Energiestroms laufend durch den natürlichen Zerfall der Isotope Kalium-40, Uran-238 und Thorium-232 entsteht. Die weiteren 30 % stammen aus dem heißen Erdkern.

Die Wärmereserven können als unerschöpfliche Energiequelle angesehen werden.

Erdwärme ist an 365 Tagen im Jahr rund um die Uhr verfügbar.

Nach menschlichen Maßstäben ruhen unerschöpfliche Mengen an Wärmeenergie im Inneren der Erde. Diese ist unabhängig von Wind, Wetter, Tages- und Jahreszeiten. Die Nutzung von Erdwärme ermöglicht außerdem die Einsparung großer Mengen an CO2 und anderen Treibhausgasen eingespart werden.

Erdwärme wird dem Bereich der erneuerbaren Energien zugeordnet.

Theoretisch ist Erdwärme permanent an jedem beliebigen Ort der Erde verfügbar.

Es muss jedoch für jeden Standort neu geprüft werden, ob nach dem heutigen Stand der Technik eine wirtschaftliche Erschließung der Energieressource möglich ist.

Bei der hydrothermalen Geothermie werden wasserführende Schichten in geeigneter Tiefe genutzt, in denen eine ausreichend große Menge an Tiefenwasser geführt wird, welches in Störungszonen zirkulieren kann.

Es sind zahlreiche Voruntersuchungen notwendig, bevor Tiefbohrungen abgeteuft und eine Geothermie Anlage gebaut werden kann

Mithilfe von Gravimetrie und 2D- bzw. 3D-seismischen Messungen können mehr oder weniger detaillierte Abbildungen des Untergrunds erstellt werden. Sie geben Auskunft über die Lage der verschiedenen Gesteinsschichten sowie über sogenannte Störungs- oder Bruchzonen, in denen Tiefenwasser zirkulieren kann.

Auf Basis einer 3D-Seismik ist zudem die Planung sicherer Bohrpfade möglich.

Eingesetzt wird ein sogenanntes Gravimeter, ein hochsensibles Messgerät, mit dem die Schwerebeschleunigung – die Gravitation – gemessen werden kann. Die gemessenen Schwerkraft- bzw. Schwereänderungen spiegeln die Massenverteilung im Untergrund wider.

Das Gerät ist ungefähr so groß wie eine kleine Kühlbox (33 cm x 22 cm x 21 cm) und wird für die Messungen auf einem Stativ abgestellt.

Die Messungen sind nichtinvasiv und nehmen in keiner Weise Einfluss auf die Umgebung.

Seismische Messungen werden zur Erkundung des Untergrundes eingesetzt und sind mit einem Ultraschallbild vergleichbar.

Sogenannte Vibrationsfahrzeuge senden dabei künstlich erzeugte Schallwellen in die Tiefe. Diese werden von den unterschiedlichen Gesteinsschichten im Untergrund reflektiert und dann von sogenannten Geophonen aufgezeichnet.

Bei 2D-seismischen Messungen werden die Geophone lediglich anhand einer Messlinie, bei der 3D-seismischen Messungen in der Fläche ausgelegt. So kann ein dreidimensionales, detaillierteres Bild erzeugt werden.

Als Tiefbohrung werden Bohrungen bezeichnet, die tiefer als 100 m in die Erde reichen. Das Abteufen, (bergmännisch für Bohren) unterliegt der bergrechtlichen Genehmigungspflicht. Mithilfe des Bergrechts gibt der Staat den rechtlichen Rahmen für Bodenschätze und deren Abbau vorgibt.

Für die Tiefengeothermie werden mindestens zwei Tiefbohrungen, zusammen auch eine Dublette genannt, benötigt.

Die Sicherheit von Tiefbohrungen wird unter anderem durch gründliche Vorerkundungen des Untergrunds gewährleistet. Mithilfe einer 3D-seismischen Untersuchung können Geolog:innen ein 3-dimensionales Bild der verschiedenen Gesteinsschichten inklusive der Störungs- bzw. Bruchzonen herstellen. So ist eine detaillierte Bohrplanung möglich.

Der Schutz des Trink- und Grundwassers wird unter anderem mithilfe eines Standrohres sichergestellt, das vor Bohrbeginn bis in die grundwasserstauende Schicht gerammt wird. Alle weiteren Arbeiten erfolgen ausschließlich innerhalb dieses Rohres.

Die Bohrlochintegrität ist ein weiterer wichtiger Bestandteil für den Grundwasserschutz.. Diese wird durch ein zuverlässiges Multi-Barrierensystem sichergestellt und dauerhaft überwacht.

Grundsätzlich müssen alle Bohrungen im Vorfeld vom Bergamt genehmigt und die gesetzlichen Vorgaben eingehalten werden.

Grundsätzlich können die Bohrungen und der Betrieb einer Geothermieanlage, beispielsweise bei einem zu hohen Druck bei der Reinjektion des Tiefenwassers, sogenannte Mikroseismizitäten auslösen. Diese liegen in der Regel jedoch unter der Wahrnehmungs- und Schadensschwelle.

Mithilfe eines großflächig aufgestellten Messnetzwerks wird die Seismizität frühzeitig erfasst. So kann ingenieurtechnisch reagiert und so weitere induzierte Ereignisse verhindert werden.

Düsseldorf liegt am Rand der sogenannten „Kölner-Bucht“, einer Erdbebenzone im Westen Deutschlands. Demensprechend sind hier aufgrund natürlicher Spannungslösungen seismische Aktivitäten möglich.

Sollten tatsächlich Schäden an Gebäuden entstehen, die mit einer Tiefbohrung und/oder Geothermieanlage in Verbindung gebracht werden können, gilt die sogenannte Beweislastumkehr. Die Nachweispflicht liegt dabei nicht beim Geschädigten, sondern beim Anlagenbetreiber.

In Düsseldorf wird derzeit untersucht, ob im sogenannten Massenkalk (Oberdevon) heißes Tiefenwasser vorhanden ist. Kalkgesteine eignen sich für die Speicherung von Tiefenwasser. Entlang von Bruchzonen kann dieses heiße Wasser zudem zirkulieren.

Anders als im bayerischen Molassebecken oder dem Oberrheingraben gibt es in der Region Rhein-Ruhr kaum Erfahrungen mit Tiefengeothermie.

Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energiequellen – z.B. Photovoltaik Freiflächenanlagen – braucht Tiefengeothermie vergleichsweise wenig Platz. Den größten Bestandteil stellen die Tiefbohrungen dar. Diese liegen unter der Geländeoberkante und damit nicht im direkten Blickfeld. Zu sehen ist lediglich die oberirdische Anlage, welche mit konventionellen thermischen Heiz(kraft)werken vergleichbar ist. Nach Abschluss der Bohrarbeiten und des Anlagenbaus bleibt nur ein etwa scheunengroßes Gebäude sichtbar.

Für dicht besiedelte Gebiete wie die Rhein-Ruhr-Region ist die Geothermie in Kombination mit einem häufig bereits bestehenden Fernwärmenetz deshalb sehr gut geeignet.

Beim Bau einer Geothermieanlage werden vergleichbare Lärmpegel wie bei herkömmlichen Baustellen erreicht. Dabei werden alle vorgeschriebenen Immissionsrichtwerte aus der allgemeinen Verwaltungsvorschrift zum Schutz gegen Baulärm eingehalten.

Geothermieanlagen halten im Betrieb alle Anforderungen des gesetzlich geregelten Lärmschutzes ein. Es ist demnach keine erhöhte Lärmbelästigung zu erwarten.

Derzeit kann von einer Betriebsdauer von mindestens 50 Jahren ausgegangen werden. Die älteste deutsche Geothermieanlage ging 1984 in Waren an der Müritz in Betrieb. Die Geothermieanlage Bayern läuft seit 1998 störungsfrei

Im italienischen Lardarello befindet sich eine der ältesten Geothermieanlagen überhaupt, die bereits seit 100 Jahren Energie aus Tiefenwasser gewinnt.

Die Tiefengeothermie wird so in die Wärmeversorgung eingebunden, dass Redundanz- bzw. Ersatzversorgungssysteme vorhanden sind. Diese dienen einerseits für die Deckung der Spitzenlast, andererseits für mögliche Ausfälle, wie sie etwa bei der Wartung entstehen. Die Wärmelieferung ist in jedem Fall gesichert und über den Liefervertrag garantiert.

Für Geothermiebohrungen müssen gemäß der aktuellen gesetzlichen Lage umfangreiche Voruntersuchungen durchgeführt werden. Die hierfür vorgeschriebene Umweltverträglichkeitsvorprüfung (UVP-V) untersucht sämtliche mögliche Auswirkungen auf Mensch, Boden, Wasser, Flora, Fauna sowie das Landschaftsbild. Der Projektentwickler muss in umfangreichen Gutachten unter anderem darlegen, ob Lärm-, Gas- und Lichtemissionen zu erwarten sind und welche Maßnahmen geplant sind, um diese auf ein Mindestmaß zu begrenzen. Ebenso muss dargelegt werden, wie oberflächennahe Bodenschichten sowie die Grundwasserleiter vor möglichen Schadstoffeinträgen geschützt werden.

Bei professioneller Ausführung der Bohrungen ist eine Gefährdung des Grundwassers nach menschlichem Ermessen nahezu ausgeschlossen. Trinkwasser stammt nahezu ausschließlich aus oberflächennahen Erdschichten. Um dieses Grundwasser zu schützen, wird vor dem Beginn der Bohrarbeiten ein Standrohr aus Stahl gesetzt und zementiert. Dieses reicht in 70 bis 80 Meter Tiefe, bis unterhalb des ersten Grundwasserstauhorizonts. Innerhalb des Standrohres finden die Bohrarbeiten statt. Die erste Bohrsektion wird bis an die Oberfläche im Standrohr einzementiert.

Weiterhin müssen alle angewandten Methoden die Vorgaben des Trink- und Grundwasserschutzes vom Umweltbundesamt erfüllen.

Bohrungen müssen mehrwandig aufgebaut werden und so eine sichere Barriere zwischen Tiefenwasser und umliegendem Gestein darstellen. Das geförderte Tiefenwasser kommt zu keinem Zeitpunkt in direkten Kontakt mit den umliegenden Gesteinsschichten.

Zudem werden sowohl die Bohrungen als auch das geförderte Thermalwasser ständig überwacht.

In der Anfangsphase von Geothermieprojekten kommt in der Bevölkerung häufig die Sorge auf, dass Tiefenwasser in die Grundwasserschichten eindringen und es so zu einer Kontamination kommen könnte.

Zwar ist korrekt, dass im Laufe des Bohrprozesses mehrere Gesteins- und Wasserschichten durchbohrt werden, es kommt jedoch zu keiner Zeit zu einer Verbindung zwischen den beiden Wässern, da geothermische Anlagen in einem geschlossenen Wasserkreislauf betrieben werden. Die Bohrungen werden komplett mit einem Strahlrohr und Zement ausgekleidet und bilden so eine Barriere. Das Thermalwasser kann so nicht ins umliegende Gestein eindringen kann und die Vermischung der Wässer wird verhindert.

Kalkgesteine, wie der Massen- oder Kohlenkalk, weisen üblicherweise keine oder nur leicht erhöhte Strahlungen auf. Die genaue Zusammensetzung des Tiefenwassers unter Düsseldorf ist derzeit jedoch noch nicht bekannt.

Sollten ursprungsbedingte geringe Strahlungen auftreten zirkulieren diese in einem geschlossenen System. Lediglich im Wärmtauscher oder an Filtern können sich radioaktive Rückstände ablagern, welche bei Wartungs- und Reinigungsarbeiten der Geothermieanlage fachmännisch und unter Berücksichtigung arbeitsschutzrechtlicher Maßnahmen entsorgt werden.

Für die Bevölkerung besteht dadurch zu keiner Zeit Gefahr.

Das geförderte Thermalwasser wird in einem geschlossenen System an die Oberfläche gefördert und anschließend über die Reinjektionsbohrung wieder in den Untergrund geleitet. Es wird kein Dampf abgelassen und möglicherweise im Wasser gelöste Gase treten nicht aus.

Auch die Kühlung moderner Anlagen funktioniert ohne Dampfschwaden, hier kommen Luftkondensatoren zum Einsatz, welche die Umgebungsluft als Kühlmedium nutzen.

Es ist ein weitverbreiteter Irrglaube, dass die Abwärme einer Geothermieanlage zu einer erhöhten Temperatur in der direkten Umgebung führt und dadurch das Klima belastet. Durch zahlreiche Messungen in und um bereits bestehenden Anlagen konnte zweifelsfrei nachgewiesen werden, dass mit keinerlei Temperaturerhöhung zu rechnen ist.

Ebenso stellt die Geothermie keine Gefährdung für eventuell direkt angrenzende Wälder und darin lebende Tiere dar.

Die Tiefe Geothermie hat keine Auswirkungen auf das Mikroklima des Waldes, welches von der Sonneneinstrahlung bestimmt wird.

Eine Geothermieanlage wirkt sich demnach nicht nur nicht negativ auf das umliegende Mikroklima aus, sondern kann langfristig sogar dem Klimawandel und dem damit verbundenen Temperaturanstieg entgegenwirken.

Bei Geothermieanlagen in Deutschland dürfen keine Schadstoffe freigesetzt werden. Das Tiefenwasser muss von der Förderung über die Entwärmung bis zur Injektion in die Tiefenwasser führende Schicht in einem geschlossenen System geführt werden. So können weder Gase noch Wasser entweichen. Die Wärme wird am Wärmetauscher an das Fernwärmenetz übergeben. Auch an dieser Stelle ist die Dichtigkeit der Leitungen zu garantieren.