Geothermie – Was ist das?

Geothermie meint die Nutzung der im Erdmantel vorhandenen Wärmeenergie. Die Geothermie zählt zu den erneuerbaren Energien. Sie ist quasi nicht erschöpflich, sie ist immer vorhanden – unabhängig von Wind und Wetter – und sie kann klimaneutral genutzt werden. Die Erdwärme kann auf ganz unterschiedliche Arten und Weisen genutzt werden. Man unterscheidet dabei zwischen oberflächennaher, mitteltiefer und tiefer Geothermie.

 

Oberflächennahe Geothermie:

Die Nutzung von oberflächennaher Erdwärme ist heute schon relativ weit verbreitet. Sie kommt vor allem für einzelne Gebäude und somit auch häufig im Privatbestand zum Einsatz. Sie kann sich aber auch für ganze Quartiere, vor allem Neubaugebiete, eignen, wenn die Häuser einen ausreichend hohen Energiestandard erfüllen. In Münster wird beispielsweise derzeit eine Erschließung des neuen Wohngebiets „Albachten-Ost“ mit ca. 500 Wohneinheiten mit oberflächennaher Geothermie vorbereitet.

Wie der Name schon vermuten lässt, sind dazu keine tiefen Bohrungen notwendig, sondern die Erdwärme wird je nach Technik wenige Meter bis wenige hundert Meter unter der Oberfläche gefördert und in Verbindung mit einer Wärmepumpe nutzbar gemacht. Es gibt verschiedene Anlagen zur Förderung, wie zum Beispiel Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden oder Grundwasserwärmepumpen. Sie unterscheiden sich unter anderem in der Tiefe der Anlage (Kollektoren bis zu 1,5 m vs. Sonden bis zu 200 m) und in den Investitionskosten (Erdwärmekollektoren sind im Hinblick auf die Investitionskosten meist das günstigste System). Die Entscheidung, welche Anlage die geeignetste ist, hängt von den Bedingungen vor Ort ab. Grundwasserwärmepumpen eignen sich beispielsweise nur, wenn auch ein geeignetes Grundwasservorkommen vorhanden ist. Der Geologische Dienst NRW bietet ein interaktives Tool an, mit dem unter anderem die Wärmeleitfähigkeit für Erdwärmesonden am eigenen Wohnort abgefragt werden kann: https://www.geothermie.nrw.de/oberflaechennah

Mitteltiefe Geothermie

Hiermit ist die Nutzung von Wärme in einer Tiefe von etwa 400 m bis in der Regel 1000 m gemeint, wo die Temperaturen bei circa 40 bis 60 Grad Celsius liegen. Meist wird die mitteltiefe Geothermie in Verbindung mit einer leistungsfähigen Wärmepumpe genutzt. Sie eignet sich zum Beispiel für den Einsatz bei Niedertemperaturprozessen in der Industrie, in Gewerbegebieten oder in Quartieren. Ein Beispiel für einen solchen Einsatz liefert das geplante Ökoquartier Plaines-du-Loup in Lausanne: https://www.ee-news.ch/de/solar/article/47729/geothermie-schweiz-okoquartier-plaines-du-loup-in-lausanne-will-mit-35-koaxialen-sonden-in-800-m-tiefe-warme-nutzen.

Aufgrund der geringeren Tiefe sind kleinere Bohrgeräte nötig, weshalb die Nutzung mitteltiefer Geothermie in der Regel kostengünstiger ist als die Nutzung tiefer Geothermie.

 

Tiefe Geothermie

Ab einer Tiefe von mehr als 1000 m spricht man von tiefer Geothermie. Dort finden sich sogenannte hydrothermale Lagerstätten, also Gesteinsschichten, die Wasser mit hohen Temperaturen führen. Je tiefer im Untergrund, desto höher die Temperatur: Pro 100 Meter Tiefe steigen die anzutreffenden Temperaturen um ca. 3 °C. In 5.000 Metern Tiefe herrschen im Durchschnitt Temperaturen von rund 160 °C. Die lokalen Bedingungen können aber aufgrund der unterschiedlichen geologischen Strukturen davon abweichen und müssen vorab durch geologische (seismische) Untersuchungen erkundet werden.

Zur Förderung dieser Wärme aus der Tiefe sind komplexe und aufwändige Bohrungen notwendig. Dabei stehen derzeit insbesondere hydrothermale Verfahren im Fokus, die sich durch eine Kreislaufführung des heißen Tiefenwassers auszeichnen: Zunächst wird das heiße Wasser über eine erste Bohrung an die Erdoberfläche gepumpt. Dort kann die Wärme  in Fernwärmesysteme eingespeist und somit für die Gebäudeheizung genutzt, aber auch verstromt werden. Nach Entzug der Temperatur wird das Tiefenwasserüber eine zweite Bohrung zurück in die Gesteinsschicht geführt, aus der es entnommen wurde. Einige Anlagen, die diese Technologie nutzen, befinden sich bereits seit Jahren im Betrieb, beispielsweise in München. In Nordrhein-Westfalen gibt es bislang noch keine solche tiefengeothermische Anlage.

Neben der hydrothermalen Geothermie sind auch petrothermale Verfahren möglich: Hierbei wird nicht das im Untergrund geführte Wasser, sondern die im Gestein gespeicherte Wärme durch tiefe Erdwärmesonden genutzt. Im Speziellen gibt es dabei die sogenannte Enhanced-Geothermal-System-Technology, wobei in der Tiefe künstliche Fließwege geschaffen und kaltes Wasser hineingepumpt wird, das dann vom Gestein erwärmt und anschließend wieder an die Oberfläche befördert wird. .

In ehemaligen Steinkohlebergbaugebieten ist außerdem die Nutzung des Grubenwassers für Heizzwecke interessant. Auch dabei handelt es sich um eine geothermische Technologie in teilweise großen Tiefen.

Nicht alle Regionen eignen sich gleich gut für die tiefen Geothermie. Die Voraussetzung ist das Vorhandensein von Gesteinskörpern, die Grundwasser leiten (können), also viele Hohlräume und Verbindungen zwischen diesen Hohlräumen haben. Sie werden als Aquifere bezeichnet. Kalkhaltige Gesteine oder Sandsteine sind beispielsweise gut geeignet.

Das geologische Wissen über unseren Boden muss in Nordrhein-Westfalen noch ausgebaut werden. Insbesondere außerhalb der ehemaligen Bergbauregionen liegen bislang nur unzureichende Erkenntnisse über die Beschaffenheit des Untergrunds vor. Gute Kenntnisse über die geothermischen Eigenschaften des Untergrunds sind aber unerlässlich für die wirtschaftliche und sichere Erschließung der tiefen Geothermie. Durch seismische Messungen mittels sogenannter „Vibro-Trucks“ können die benötigten Daten über die Beschaffenheit des Untergrunds gewonnen werden.

In anderen Bundesländern ist die Nutzung der tiefen Geothermie bereits weiter vorangeschritten als in Nordrhein-Westfalen. Das gilt insbesondere für Bayern, wo sich insbesondere das Molassebecken im Alpenvorland sehr gut für die tiefe Geothermie eignet. Stand 2021 befanden sich 21 der 29 in Deutschland in Betrieb befindlichen Anlagen der tiefen Geothermie in Bayern.[1] Eine interaktive Übersicht über die (tiefen) Geothermie-Standorte in Deutschland bietet das Geothermische Informationssystem (GeotIs) des Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik: https://www.geotis.de/geotisapp/geotis.php

 

Was passiert in Nordrhein-Westfalen, um die Geothermie voranzubringen?

Für Nordrhein-Westfalen haben sich bereits das Münsterland  sowie die Rhein-Ruhr-Region als vielversprechende Regionen für eine Nutzung der tiefen Geothermie herauskristallisiert. Hier hat der Geologische Dienst des Landes NRW bereits seismische Untersuchungen durchgeführt. Zunächst war 2021 das zentrale Münsterland Pilotregion. Dort wurde eine sogenannte 2D-Seismik durchgeführt. Das bedeutet, dass mithilfe feiner Messungen ein zweidimensionales Untergrundbild erstellt wird, das die wasserführenden Gesteinsschichten zeigt. Die Ergebnisse wurden im Herbst 2022 der Öffentlichkeit vorgestellt. Infolge der vielversprechenden Ergebnisse haben sich die Stadtwerke Münster bereits auf den Weg gemacht, die tiefe Geothermie für ihr Fernwärmenetz zu erschließen, und bereiten hierfür derzeit eine 3D-Seismik zur Identifizierung konkreter Bohrstellen vor. Münster ist damit landesweites Leuchtturmprojekt und erhält vom Land eine Förderung in Höhe von 5,7 Millionen Euro für die 3D-Seismik.

Der Geologische Dienst NRW hat außerdem mit der „Seismik Rheinland“ eine Charakterisierung der Region zwischen Düsseldorf und Duisburg sowie in Krefeld und dem Kreis Viersen erstellt. Die ersten Ergebnisse lagen nach nur fünf Monaten Datenanalyse vor und bestätigen die vermuteten Potenziale. Genauere Untersuchungen mit speziellen Messfahrzeugen, sogenannten Vibro-Trucks, fanden Ende 2023 statt. Die Ergebnisse sollen der Öffentlichkeit Mitte 2024 vorgestellt werden.

Mit diesen Untersuchungen führt der geologische Dienst einen Beschluss des Landtags aus dem Jahr 2019 aus. Damit hatte der Landtag die Landesregierung beauftragt, den Einsatz der Geothermie stärker zu fördern. Für die Kommunen ist es wichtig, dass das Land solche vorbereitenden Untersuchungen übernimmt, denn mit den komplexen Messungen sind hohe Kosten verbunden. Als  Regierungspartner in NRW stellen wir Grüne daher auch zukünftig erhebliche Mittel im Landeshaushalt zur Erkundung der geothermischen Potentiale und zur Förderung von Einzelvorhaben der tiefen Geothermie bereit.

Der Geologische Dienst betreibt außerdem das Portal „Geothermie in NRW – Standortcheck“. Neben der bereits seit Jahren vorhandenen und oben schon einmal erwähnten Funktionalität für die oberflächennahe Geothermie, wurde das Portal Anfang 2023 um die mitteltiefe und tiefe Geothermie erweitert.

Damit die kommunale und industrielle Wärmewende mithilfe der Geothermie noch schneller vorangebracht wird, haben wir GRÜNE gemeinsam mit der CDU im Mai 2023 einen Antrag in den Landtag eingebracht, der sich aktuell im Beratungsverfahren befindet. In dem Antrag fordern wir unter anderem, dass die Landesregierung einen Masterplan Geothermie entwickeln und ambitionierte, landesbezogene Ausbauziele definieren soll. Die Arbeit des geologischen Dienstes und die seismischen Messungen sollen beschleunigt fortgesetzt werden. Genehmigungsverfahren sollen beschleunigt werden und das Land soll sich beim Bund dafür einsetzen, dass ein Instrument zur finanziellen Reduzierung des sogenannten Fündigkeitsrisikos eingeführt wird. Alle Details des Antrags gibt es hier zum Nachlesen.

Der im Antrag geforderte Masterplan Geothermie wurde von der Landesregierung im April 2024 vorgestellt.  Er enthält das ambitionierte Ziel, dass Nordrhein-Westfalen bis 2045 bis zu 20 % des Wärmebedarfs aus der Geothermie (in allen Formen von oberflächennaher bis tiefer Geothermie) decken soll. Neben Maßnahmen zur Förderung der Akzeptanz und der Beschleunigung von Genehmigungsverfahren gehören bei der tiefen Geothermie insbesondere Förderungen der Vorerkundungen (wie beispielsweise oben beschrieben für Münster) und ein Instrument zur Absicherung des Fündigkeitsrisikos zu den Strategien, mit denen NRW die Geothermie voranbringen will. Die Minderung des Fündigkeitsrisikos funktioniert dabei über eine Förderung der Bohrkosten in Form eines bedingt rückzahlbaren Zuschusses. Sollte die vorab definierte, erwartete Wärmeleistung nicht tatsächlich in der Erde gefunden werden, muss der Zuschuss nicht oder nur teilweise zurückgezahlt werden.

 

Exkurs Fündigkeitsrisiko

Wenn Kommunen, Unternehmen oder andere Akteure ein geothermisches Potenzial im Untergrund für die Wärmeversorgung nutzen wollen, stehen zunächst hohe Investitionen in vertiefende Untersuchungen an. Ein besonderes wirtschaftliches Risiko stellt dabei vor allem die „Fündigkeit“ bei ersten Erkundungsbohrungen, also die Frage, ob das vermutete geothermische Potenzial auch tatsächlich in entsprechender Qualität und Quantität angetroffen, wird, dar.

Wenn eine Bohrung trotz intensiver Vorerkundung „daneben geht“, drohen hohe Verluste in Höhe von ca. 10 Millionen Euro (grob geschätzt). Für ein mittelgroßes Stadtwerk kann das durchaus einem ganzen Jahresergebnis entsprechen.  Damit besteht die Gefahr, dass dieses „Fündigkeitsrisiko“ zu einem zentralen Investitionshemmnis der weiteren Marktentwicklung der Geothermie wird. Dies gilt es zu verhindern.

Die deutliche Verbesserung der Erkenntnislage ist dabei ein Teil der Lösung. Ein Restrisiko bleibt aber auch dann bestehen, wenn alle Voruntersuchungen gewissenhaft durchgeführt wurden und erfolgreich waren. Daher sind strategische Instrumente zur Reduzierung des Fündigkeitsrisikos bei Probebohrungen so wichtig, um Erkundungen voranzubringen.

 

[1] https://www.energieatlas.bayern.de/thema_geothermie/tiefe/daten