Tiefe Geothermie

Die tiefe Geothermie umfasst folgende Nutzungsverfahren:

  • Hydrothermale Nutzung: dabei wird der Energieinhalt von warmen bis heißen Thermalwasser genutzt (folgend auch „Hydrogeothermie“ genannt)
  • Petrothermale Nutzung: dabei wird die im Gestein gespeicherte Wärme genutzt

Die durchschnittliche Tiefe solcher Systeme beträgt sowohl bei hydrogeothermalen als auch bei petrogeothermalen Anlagen 2500m-4500m. Die hydraulischen Eigenschaften werden maßgeblich durch die Durchlässigkeit des Gesteins bestimmt und bestimmen die Förderrate bzw. die Injektionsrate des Thermalwassers. Durch Stimulationsverfahren des Gesteins können diese erhöht werden und somit die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöhen. Man spricht dann von sogenannten "Enhanced Geothermal Systems" (EGS).

Eine Geothermieanlage benötigt im Vergleich zu anderen Anlagetypen einen geringen Flächenbedarf, da sich der wichtigste Teil der Anlage im Untergrund befindet. Moderne Geothermieanlagen sind sehr kompakt und lassen sich mühelos in die Landschaft integrieren.

Hydrogeothermie

Als hydrothermale Geothermie (Hydrogeothermie) bezeichnet man in Österreich die Nutzungen von thermalen Wässern in Tiefen von über 300 Meter oder über 20°C. Dieses Wasser zirkuliert in Klüften und Störungszonen sowie Karsthohlräumen oder Gesteinsporen.

Üblicherweise wird ein hydrgeothermales System mithilfe von zwei Tiefenbohrungen, einer sogenannten „geothermischen Dublette“ betrieben. Dabei wird über eine Förderbohrung das Wasser aus dem Untergrund an die Oberfläche transportiert, die thermische Energie mittels eines Wärmetauschers an ein System abgegeben (z.B. Fernwärmenetz) und anschließend das abgekühlte Wasser wieder über eine Injektionsbohrung in den Untergrund zurückgeführt (regenerativer Kreislauf). Grundsätzlich ist eine Kombination von mehreren Förder- und Injektionsbohrungen möglich (sogenannten Multipletten-Systemen).

Voraussetzung für eine hydrogeothermales Nutzung ist ein ausreichend ergiebiger Aquifer (wasserführende Gesteinsschicht) mit einer möglichst weiten vertikalen und horizontale Ausbreitung Voraussetzung. Nur so ist eine wirtschaftlich nachhaltige und langfristige Nutzung zu gewährleisten. Die geförderten Thermalwässer können je nach Temperatur und Förderrate zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden.

Neben der energetischen Nutzung der Hydrogeothermie (zur Wärme- & Stromgewinnung) wird diese Form der Geothermie auch für balneologische Zwecke (Thermalbäder, Heilbäder) verwendet. Diese Art der Nutzung hat in Österreich schon eine sehr lange Tradition.

(c) Silenos Energy GmbH
(c) Silenos Energy GmbH

Zusammenfassend sind für eine erfolgreiche hydrothermale Energiegewinnung folgende Voraussetzungen notwendig:

Quelle: Silenos Energy GmbH
  • der Aquifer muss ein ausreichend großes Volumen besitzen, in welchem eine hydraulische Verbindung (Wasserwegigkeit) besteht (ausreichende vertikale und horizontale Ausbreitung)
  • das Thermalwasser muss eine, für die geplante Nutzung ausreichend hohe Temperatur besitzen
  • der Aquifer muss eine ausreichende Ergiebigkeit (Produktion/Injektion) besitzen
  • die chemische Zusammensetzung, der Gasgehalt und die Mikrobiologie des Wassers müssen für die geplante Nutzung geeignet sein bzw. technisch kontrollierbar sein

 

Die Technik der hydrothermalen Nutzung mittels Dubletten ist weitgehend ausgereift. Besonders in Frankreich, aber auch in Italien, Polen, Österreich oder Deutschland existieren bereits seit mehreren Jahrzehnten hydrothermale Geothermieanlagen.

Petrogeothermie

Als petrothermale Geothermie (Petrogeothermie) wird die thermische Nutzung heißer, aber trockener bis kaum wasserführender Gesteinsschichten bezeichnet. Daher ist diese Form der tiefen Geothermie unabhängig von Vorkommen tiefer geothermaler Wässer und bietet ein großes Anwendungspotential. Für die Verwendung petrogeothermaler Systeme benötigt man dicht gelagerte Sedimentgesteine oder Kristallingestein in Tiefen ab denen eine geeignete Temperatur (mindestens 150°C) angetroffen wird.

Die Nutzung von heißem, aber nicht bis kaum wasserführendem Gestein erfolgt durch Aufbrechen von vielen kleinen Klüften um neue Fließwege für künstlich eingebrachtes Wasser zu schaffen. Hierfür ist eine Injektion von Wasser mit hohem Druck notwendig. Sobald das eingebrachte Wasser in den neu geschaffenen Klüften zirkulieren kann, wird der Druck wieder reduziert.

Wie bei der tiefen Hydrogeothermie werden mindestens 2 Bohrungen (eine Förder- sowie eine In-jektionsbohrung) in die entsprechenden Reservoirgesteine abgeteuft. Durch Stimulationsmaßnah-men mittels Wasserinjektion (hydraulische Stimulation) werden bestehende Klüfte aufgebrochen und auch neue Wegigkeiten geschaffen. Das durch das neu geschaffene erweiterte Kluftsystem zirkulierende aufgeheizte Wasser wird über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht und über eine Injektionsbohrung wieder in das Reservoirgestein transportiert wodurch ein künstlicher Wasserkreislauf geschaffen wird. Weltweit gibt es bislang noch wenig petrothermische Anlagen. Die bekannteste Anlage in Europa befindet sich in Soultz sous Foret (Frankreich), wo mit Hilfe die-ser Methode elektrische Energie und Nahwärme produziert wird.

 

Tiefe Erdwärmesonden

Von tiefen Erdwärmesonden spricht man, wenn geschlossene Wärmetauscher in über 300 Meter tiefen Bohrungen eingebracht werden. In den Wärmetauschern, hierbei handelt es sich um so ge-nannte Koaxialsonden , in denen Wasser zirkuliert. Diese Methode zur Nutzung der Erdwärme eignet sich hervorragend für die Nachnutzung alter Erdöl- oder Erdgassonden. Mit einer ca. 2.000 Meter tiefen Erdölsonde ließen sich somit bereits eine kleine Wohnsiedlung oder ein großes Glashaus umweltfreundlich heizen.

 

Geothermische Speicher

Aufgrund des großen Volumens und der thermischen Trägheit der Erde eignet sich Geothermie auch bestens für die mittel- und langfristige Speicherung von Wärme. Mit Hilfe der heutigen Metho-den umfasst geothermische Wärmespeicherung den Temperaturbereich von unter 10°C (Kälte) bis ca. 90°C. Es kann einerseits Abwärme aus Industrieprozessen oder Überschusswärme aus der Fernwärme über längere Zeiträume gespeichert werden – hierbei handelt es sich um Speicheran-wendungen über 30°C. Abwärme auf niedrigeren Temperaturniveaus, z.B. aus  Kühlanlagen, der Gebäudeklimatisierung oder Wärmeüberschüsse aus anderen Erneuerbaren, z.B. Solarthermie, lassen sich mit Hilfe der Geothermie für kühlere Jahreszeiten einspeichern. Grundsätzlich unterscheidet man Erdwärmespeicher mittels Erdwärmesonden (BTES) und Aquiferwärmepeicher mittels Förder- bzw. Injektionsbohrungen (ATES). Erdwärmespeicher werden in Erdwärmesondenfeldern dimensioniert und haben ein geschlossenes Fluidsystem. Bei Aquifer-wärmespeichern wird das im Untergrund natürlich gespeicherte Wasser als Wärmeträgermedium genutzt. Vereinzelt kommen auch isolierte Bauwerke im Untergrund zur Anwendung, sogenannte Erdbecken oder Behälter-Wärmespeicher (PTES). Eine weitere technische Anwendungsmöglich-keit in Festgesteinsgebieten, insbesondere bei Vorhandensein ehemaliger Stollenanlagen, stellen Kavernenspeicher (CTES) dar. Kavernenspeicher werden bereits erfolgreich in Skandinavien zur Speicherung solarer Überschusswärme in Sommer benutzt.


Weiterführende Literatur inklusive Beschreibung von Beispielen und optimierter Anwendung finden sie bei den Energie-Experten oder auf Saisonalspeicher.de

Sonderformen - Beispiele

Geothermie aus Tunneln oder Bergwerken

Die Wärmeversorgung aus Stollen oder Tunneln stellt eine sinnvolle Verknüpfung von Tiefbauten und geothermischer Nutzung dar. Die einfachste Nutzung von Bergbau- und Tunnelanlagen erfolgt durch Wärmenutzung von Drainagewässern. Bei großen Gebirgsüberlagerungen sind Drainagewässer deutlich wärmer als das Grundwasser, sodass die Wärme effizient für die Beheizung von Gebäuden oder landwirtschaftlichen Betrieben genutzt werden kann. Jedoch auch kühlere Bergwässer, die zumeist konstante Temperaturen, die nicht von den Jahreszeiten beeinflusst werden. Kühle Bergwässer können für Heizanwendungen mit Wärmepumpen oder für die direkte Kühlung von Gebäuden oder Prozessen herangezogen werden. Stollenanlagen, die nicht mehr genutzt werden, können versiegelt und als Kavernenspeicher genutzt werden.

CCUS - Kombination Geothermie mit CO2 Speicherung

Die Kombination geothermischer Energiegewinnung mit geologischer CO2 Speicherung steckt bislang noch in den Kinderschuhen. Erste Studien hierzu wurden bereits in den USA getätigt. In Europa ist die kombinierte Nutzung der Geothermie mit der CO2 Speicherung aufgrund der kritischen Wahrnehmung der CO2 Speicherung bislang kaum untersucht worden. Bei der Kombination dieser beiden Technologien wird komprimiertes flüssiges CO2 als Wärmeträgermedium in Reservoire eingeleitet, die aufgrund ihres geringen Porenraums nur geringe Mengen an Wasser leiten können (Wasser ist zähflüssiger als flüssiges CO2). Das eingepresste und im Untergrund erwärmte CO2 wird in einer separaten Bohrung wieder an die Oberfläche befördert, wo es Stromturbinen antreibt. Nach der Erzeugung elektrische Energie und der Nutzung der Restwärme für Heizprozesse wird es wieder komprimiert und in den Untergrund geleitet, wo der Kreislauf von neuem beginnt.