Tiefe Geothermie

In vielen Ländern Europas ist die Erschließung geothermischer Ressourcenweiter vorangekommen und ein beachtlicher Wirtschaftsfaktor geworden. Geothermische Energiequellen stellen bei umsichtiger Anwendung in diesem Sinne wahrhafte Bodenschätze dar. Allgemein beginnt die tiefe Geothermie bei einer Tiefe von mehr als 400 m (vgl. VDI-Richtlinie 4640) und einer Temperatur von über 20 °C. Von tiefer Geothermie im eigentlichen Sinn sollte man jedoch erst bei Tiefen von über 1000 m und bei Temperaturen größer als 60 °C sprechen.


Nutzungsformen der Geothermie


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Geothermische Energie aus dem Untergrund

Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (VDI-Richtlinie 4640). Synonyme sind Erdwärme oder auch Geothermie. Erdwärme steht generell überall und jederzeit zur Verfügung. Bei sachgerechter Bewirtschaftung ist sie praktischunerschöpflich. Die Temperatur steigt im Mittel mit der Tiefe um 3 °C pro 100 man. Die Temperaturzunahme pro Teufenabschnitt wird als Temperaturgradient bzw. geothermischer Gradient bezeichnet und in mK/m gemessen, was der Angabe °C pro km entspricht. Dieser Gradient wird durch den Wärmestrom aus der Tiefe an die Erdoberfläche verursacht. Die Wärmestromdichte beträgt in Deutschland durchschnittlich etwa 70 mW/m2. Nach menschlichem Ermessen stehen in der oberen Erdkruste bis zu einer Tiefe von 10 km noch unerschöpfliche Mengen an Erdwärme zur Verfügung. Die Tiefengeothermie wird deshalb eindeutig zu den regenerativen Energieformen gezählt. Die Haltbarkeit von tiefengeothermischen Lagerstätten wird auf etwa 20 - 30 Jahre geschätzt. Diese regenerieren sich in einem Zeitraum von mehreren Jahrhunderten von selbst wieder.

Vorteile der Erdwärme liegen in der hohen Versorgungssicherheit unabhängig von Klima oder Jahres- und Tageszeit. Außerdem ist die Erdwärme praktisch überall verfügbar und muss nicht gespeichert werden. Weiterhin ist die Erwärme für menschliche Zeiträume unerschöpflich und kann als nachhaltig gewertet werden, d.h. die derzeitige Generation wird mit Energie versorgt, ohne folgende Generationen zu beeinträchtigen.

Tiefengeothermie

Die gezielte Erschließung tiefengeothermischer Potentiale erfordert eine möglichst komplexe Bearbeitung der dafür in Frage kommenden geologischen Formationen und Strukturen: genaue geologische, hydrogeologische Kenntnisse des  Untergrundes.

Durch das LBGR wurden für verschiedene Tiefenniveaus geologische Karten, mitdazugehöriger Temperaturverteilung bis 4000 m unter Geländeoberfläche, erstellt. Die in diesen Karten aufgeführten Informationen können bei der Erschließung tiefengeothermischer Ressourcen eine schnelle Orientierungshilfe bieten. Eingesetzt werden können sie vor allem bei der Planung tiefer Erdwärmesonden.

Allgemein sind für die Nutzung der Tiefengeothermie Gebiete interessant, die so genannte Wärmeanomalien aufweisen und damit Energielagerstättencharakter besitzen können. So ist z.B. der Temperaturgradient in einigen Bereichen Brandenburgs in den oberen 5 km sehr viel höher, als in anderen Teilen des Landes.

Die tiefe Geothermie umfasst Systeme, bei denen die geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird und direkt (d.h. ohne Temperaturerhöhung mittels Wärmepumpen) genutzt werden kann. Nach dieser Definition gehören zur tiefen Geothermie insbesondere folgende Systeme:

Hydrothermale Systeme mitniedriger Enthalpie (Wärmeinhalt):
  • Überwiegend Nutzung des im Untergrund vorhandenen Wassers; sie erfolgt meist direkt (ggf. über Wärmetauscher), zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen, zur landwirtschaftlichen oder industriellen Nutzung oder für balneologische Zwecke; ab ca. 100 °C ist eine Verstromung möglich. Beispiele sind:

    Aquifere (Grundwasserleiter) mit heißem(> 100 °C), warmem (60-100 °C) oder thermalem (> 20 °C) Wasser.
Petrothermale Systeme:

Sie beinhaltet überwiegend die Nutzung der im Gestein gespeicherten Energie. Beispiele für diese Nutzungssysteme sind: 

  • Hot-Dry-Rock-Systeme (HDR), auch Deep Heat Mining (DHM), Hot Wet Rock (HWR), Hot Fractured Rock (HFR) oder Stimulated Geothermal System (SGS) genannt. Der umfassende Begriff ist Enhanced Geothermal Systems (EGS). Es handelt sich hierbei um eine Energiegewinnung aus dem Gestein selbst; sie ist also weitgehend unabhängig von wasserführenden Strukturen. Das heiße Gestein (meist Grundgebirge) wird als Wärmetauscher genutzt. HDR-Systeme werden primär zur Stromerzeugung eingesetzt.  

 

  • Tiefe Erdwärmesonden: Energienutzung aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit geschlossenem Kreislauf des Wärmeträgermediums in der Sonde; nur zur Wärmeversorgung. 


Die Nutzung tiefengeothermischer Energie in Brandenburg ist bereits heute vielfältig. Sie reichen von der Errichtung tiefer Erdwärmesonden über die Förderung von Thermalwässern(Thermalsole) hin bis hin zur Nutzung der geothermischen Energievorräte nach der Hot-Dry-Rock-Technologie. Letztere befindet sich aber noch im Erprobungsstadium.


Bei der hydrothermalen Nutzung wird Wasser aus tiefen wasserführenden Gesteinsschichten (Aquifere) gefördert; über einen Wärmetauscher wird diesem die Wärme entzogen. Das so abgekühlte Wasser wird meist in denselben Aquifer in einer bestimmten Entfernung zur Erneuerung (Recharge) zurückgegeben (injiziert). Ein derartiges System besteht aus einer Förder- und einer Injektionsbohrung (Dublette). Grundsätzlich ist eine Kombination von mehreren Förder- und Injektionsbohrungen möglich.

Das klassische System einer Dublette besteht aus zwei Vertikalbohrungen in entsprechender Entfernung. Heute werden die Förder- und Injektionsbohrung meist von einem Bohrplatz aus abgeteuft, wobei der Nutzhorizont untertägig durch abgelenkte Bohrungen erschlossen wird. Die hydraulische Anbindung an den Aquifer ist dabei günstiger als bei Vertikalbohrungen. Die übertägige Anlage ist Platz sparend; alle technischen Einrichtungen können an einem Ort installiert werden.


Geothermische Dublette - Schema einer hydrothermalen Nutzung
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Die Technik der hydrothermalen Nutzung mittels Dubletten ist weitgehend ausgereift. Besonders in Frankreich, aber auch in Italien, Polen, Österreich oder Deutschland (z.B. Neustadt-Glewe, Waren) existieren bereits seit einigen Jahren, teilweise seit Jahrzehnten hydrothermale Anlagen. Das geförderte und nach der Abkühlung wieder injizierte Wasser zirkuliert übertägig in einem geschlossenen Kreislauf, der oft unter Druck gehalten werden muss, um Ausfällungen von Mineralen aus dem hochmineralisierten Wasser zu verhindern.


 Tiefe Erdwärmesonde


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Das mit Hilfe einer Tauchpumpe an die Oberflächegeförderte Thermalwasser wird über einen Wärmetauscher geleitet, und die gewonnene Wärme in einen sekundären Kreislauf, beispielsweise in ein Fernwärmenetz, eingespeist.

Die nutzbare Energiemenge einer Tiefen Erdwärmesonde hängt in erster Linie von der Temperatur des Untergrundes ab, besonders lukrativ sind daher positive Temperaturanomalien. Ein weiterer wichtiger Parameter sind die thermischen Eigenschaften des Untergrundes, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit.

Die nutzbare Energiemenge hängt neben der Betriebsdauer zusätzlich von der Bauart der Sonde und der Steigleitung ab, somit auch von den thermischen Eigenschaften der Ausbaumaterialien der Sonde. Lange und großkalibrige Sonden besitzen eine größere Wärmeaustauschfläche (Kontakt Sonde – Gestein).