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Tiefe Geothermie

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Tiefe Geothermie

Im heißen Erdkern herrschen Temperaturen von etwa 4 800 bis 7 700°C. Aufgrund des Temperaturgefälles zwischen Erdinnerem und Erdoberfläche wird ständig Wärme aus der Tiefe nachgeliefert – noch Jahrmillionen. Die Wärmeenergie stammt zu ca. 30 % aus der Restwärme der Erdentstehung und zu ca. 70 % aus dem Zerfall radioaktiver Elemente. Erdwärme ist somit eine regenerative Energie; sie steht fast überall und jederzeit zur Verfügung.

In den obersten 10 bis 15 Meter des Untergrundes bestimmen atmosphärische Faktoren die Bodentemperatur: Sonneneinstrahlung, der Wärmekontakt zur Luft und versickerndes Regenwasser. Durch den Wärmestrom aus dem Erdinneren steigt die Temperatur im Mittel um 3 °C pro 100 Meter Tiefe an. Dieser Temperaturanstieg wird geothermischer Tiefengradient genannt. So liegt die Temperatur in 5 000 Meter Tiefe bei etwa 160 °C.

Energie aus tiefen geothermischen Systemen kann aufgrund der dort hohen Temperatur direkt zur Wärmeversorgung größerer Gebäudekomplexe bis hin zur Stromerzeugung in Kraftwerken genutzt werden. Reicht die Temperatur im geothermischen Reservoir zu direkten Nutzung nicht aus, heben Wärmepumpen das Temperaturniveau an.

Der Einsatz tiefengeothermischer Technologien und die Gewinnung von Erdwärme setzen eine enge Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Verfahrenstechnikern und Geowissenschaftlern voraus. Bereits während der Planung ist ein permanenter Informationsaustausch für eine erfolgreiche Realisierung unabdingbar. Jede Anlage erfordert eine spezifische Einzelfallanalyse. Dabei sind die geowissenschaftliche Bewertung des Standortes und die Aufbereitung relevanter Geodaten ein grundlegender Teil der Planung, auch bezüglich der Risikoabschätzung.

Tiefe Geothermie unterliegt wasserrechtlichen und bergrechtlichen Vorgaben. Die Bohrtechnik ist vor allem abhängig von den geologischen Verhältnissen und dem Zweck der Bohrung.

Es stehen verschiedenen tiefengeothermischen Nutzungsformen zur Verfügung, die sich in Effizienz, Installationskosten und Anforderungen an die geologischen Bedingungen unterscheiden.

Hydrothermale Nutzung

Grafik zeigt Schema einer hydrothermalen Nutzung

Die hydrothermale Geothermie nutzt natürlich vorhandenes Thermalwasser von 40 bis weit über 100 °C zur Wärme- und Stromgewinnung. Sie ist gebunden an ergiebige Grundwasserleiter mit einer guten Wasserdurchlässigkeit, die sogenannte Permeabilität. Potenzielle geothermische Reservoire sind beispielsweise verkarstete Karbonatgesteine oder poröse Sandsteine.

Für ein hydrothermales System sind mindestens zwei Bohrungen erforderlich. In der ersten, sogenannten Förderbohrung wird das heiße Wasser an die Erdoberfläche gepumpt. Dort wird ihm die Wärme entzogen, direkt genutzt oder verstromt. Das abgekühlte Wasser wird über die zweite Bohrung – die Injektionsbohrung – zurück in den Untergrund geführt, sodass es sich im Entnahmehorizont wieder ansammeln kann.

Um die Nutzung der hydrothermalen Geothermie innerhalb der nächsten Jahre in Nordwesteuropa auf breiter Ebene zu realisieren, fördert die Europäische Union seit Anfang 2019 das Projekt Roll-out of Deep Geothermal Energy in NWE, kurz DGE-ROLLOUT.

Petrothermale Nutzung

Diese geothermischen Systeme nutzen die im Gestein gespeicherte Wärme. Sie sind nicht an wasserführende Schichten im Untergrund gebunden. Die Unabhängigkeit von Grundwasser erhöht die Zahl potenzieller Standorte.

Tiefe Erdwärmesonden

Tiefe Erdwärmesonden

Mit einer Länge von 1 000 bis 3 000 Meter erschließen sie ein mittleres Temperaturniveau bis ca. 80 °C. Tiefe Erdwärmesonden sind daher für die direkte Wärmenutzung, nicht aber für die Stromerzeugung geeignet. Es sind geschlossene Systeme, deren Effizienz von den geothermischen Eigenschaften des Untergrundes bestimmt wird: Temperatur, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität.

Anders als bei offenen Systemen ist bei geschlossenen Tiefensonden das Fündigkeitsrisiko um ein Vielfaches geringer. Allerdings haben sie eine geringere Effizienz.

Enhanced-Geothermal-System

EGS-Technologie

Die erweiterte, sogenannte Enhanced-Geothermal-System-Technology (EGS) ist ein offenes System in großen Tiefen zur Wärme- und Stromgewinnung. Sie wird in Projekten eingesetzt, die ein hohes Temperaturniveau voraussetzen und ist daher ausschließlich für tiefer liegendes Festgestein interessant. Die notwendige hohe Energieausbeute kann nur durch den Einsatz eines offenen Systems mit einer hohen hydraulischen Durchflussrate gedeckt werden.

Hierfür wird die Wasserwegsamkeit eines Grundwasserleiters durch zusätzliche, künstlich geschaffene Fließwege erhöht: Unter hohem Druck wird Wasser mittels einer Bohrung in den Nutzhorizont verpresst. Dadurch bilden sich Risse und Spalten im Gestein, bereits vorhandene Fugen werden geweitet. In dieses Kluftsystem wird kaltes Wasser gepresst, das vom warmen Gestein erwärmt und über eine zweite Bohrung an die Oberfläche zurückgepumpt wird.

Erdwärmenutzung in Bergbauregionen

Erdwärmenutzung in Bergbauregionen

Großes Potenzial für die Geothermie liegt in den Hohlräumen des früheren Steinkohlebergbaus. Auch nach dem Ende des Bergbaus muss in den ehemaligen Zechen das Grubenwasser dauerhaft abgepumpt werden, um das Volllaufen der Stollen zu verhindern. Dieses Grubenwasser – eine Mischung aus Grundwasser und aufdringendem Tiefenwasser – eignet sich prinzipiell für die Wärmenutzung, zum Beispiel zum Heizen von Gebäuden. Die Temperaturen der geförderten Mischwässer liegen zwischen 20 und 50 °C. Mögliche Förderorte sind Ibbenbüren, das Aachen-Erkelenzer-Revier und das Ruhrgebiet.

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