In der Energiestrategie 2050 stehen vor allem die Nutzung der Naturkräfte der Sonne, des Windes und des Wassers im Fokus. Das Potential der Erde – der Geothermie – ist bisher noch wenig genutzt. Doch sie gewinnt an Bedeutung, nicht zuletzt durch bahnbrechende neue Projekte.
Unsere Erde hat einen heissen Kern – wie heiss dieser wirklich ist, lässt sich jedoch nur schätzen. Die Temperatur im Erdinnern wird auf 5000 bis 7000 Grad Celsius geschätzt. Der Erdmittelpunkt liegt 6370 Kilometer unter der Erdoberfläche, dahin vorzudringen ist bislang unmöglich. Doch so tief muss man nicht graben, um an dieses riesige Potential zu gelangen. In Mitteleuropa geht man von einem Temperaturanstieg von 3 °C pro 100 Meter Tiefe aus.
Diese thermische Energie unter der Erdoberfläche nutzbar zu machen ist Teil der Energiestrategie 2050. Grundsätzlich geschieht das auf zwei unterschiedliche Arten.
Wärme aus dem heissen Stein
Bei der petrothermalen Geothermie macht man sich die Wärme des Erdreichs zunutze. Das Prinzip ist einfach, aber effektiv: Pumpen befördern kaltes Wasser über ein Rohrleitungssystem in heisse Zonen im Erdreich. Das Wasser kommt erwärmt zurück an die Oberfläche und gibt Wärme ab. Das abgekühlte Wasser wird dann wieder zurück ins Erdreich gepumpt – es verbleibt also in diesem Kreislauf.
Die Möglichkeiten zur Nutzung sind vielfältig. Mit Erdwärme kann man
Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden und ganzen Quartieren (Fernwärmenetz) betreiben
Brauchwarmwasser erzeugen
Prozesswärme für Landwirtschaft, Gewerbe und Industrie erzeugen.
Heisses Wasser aus dem Erdinneren
Bei der hydrothermalen Geothermie hingegen werden heisse Wasservorkommen aus tieferen Erdschichten an die Erdoberfläche gepumpt und genutzt. Für die Nutzung des Warmwassers aus dem Erdreich, den sogenannten Aquiferen, müssen Tiefbohrungen vorgenommen werden. Temperaturen ab etwa 80 °C ermöglichen auch die Stromerzeugung. Ein Geothermiekraftwerk wandelt dabei nach dem Prinzip der Dampfturbinentechnik Wärme in elektrischen Strom um. Über einen Trafo wird dieser dann ins Hochspannungsnetz eingespeist.
Üblicherweise sind bei der hydrothermalen Geothermie Aquifertemperaturen von über 100 Grad Celsius zur Stromerzeugung nötig. Das an die Oberfläche geholte Wasser wird in Dampf umgewandelt. Dieser bewegt die Turbinen des Kraftwerks, welche ihrerseits einen Generator antreiben, der Strom erzeugt. Sogenannte Binär-Kreislauf-Kraftwerke funktionieren allerdings auch schon mit Wassertemperaturen ab etwa 80 Grad Celsius. Dabei wird die Wärme aus dem Untergrund an einen zweiten Kreislauf weitergegeben, der eine Flüssigkeit mit deutlich niedrigerem Siedepunkt enthält.
Hier lohnt es sich, tief zu bohren: Wasser versickert durch Risse und Spalten, wird erhitzt und steigt wieder auf, bis es in Lavey-les-Bains nach über 5000 Jahren im Untergrund mit 60 bis 75 °C wieder austritt. (Illustration: CSD Ingénieurs)
Vorteile und Nachteile der Geothermie
Die Geothermie kann einen substanziellen Beitrag zur Gestaltung einer nachhaltigen Energiezukunft ohne fossile Energieträger leisten (siehe Positionspapier Geothermie Schweiz). Es gilt aber auch, die Chancen und Risiken abzuwägen.
Heute werden in der Schweiz bereits mehr als 4 TWh pro Jahr an geothermischer Wärme produziert. Das entspricht ungefähr 5 Prozent des Schweizer Wärmebedarfs.
Die Vorteile liegen auf der Hand. Bei der Nutzung entstehen keinerlei saisonale oder tägliche Schwankungen wie etwa bei der Solarenergie oder der Windkraft. Die Gewinnung der Erdwärme ist permanent möglich.
Die geothermische Stromerzeugung ist CO2-neutral und auch Erdwärme-Heizungen haben einen nennenswert verringerten CO2-Ausstoss im Vergleich zu den bisher eingesetzten Systemen. Hinzu kommt, dass die Nutzung der Geothermie einen wertvollen Beitrag zu einer Energieproduktion im Inland liefert. Diese Unabhängigkeit von Lieferungen aus dem Ausland gewinnt nicht zuletzt angesichts zunehmender weltpolitischer Instabilitäten immer mehr an Bedeutung. Denn das Energiepotenzial der Geothermie gilt als unerschöpflich.
… aber auch Risiken
Demgegenüber stehen jedoch auch Risiken. Der Bau von Geothermieanlagen ist kostenintensiv und mit einem hohen Flächenbedarf verbunden. Die Bohrungen vor allem in grosse Tiefen bergen ein gewisses Gefahrenpotential für Verschiebungen von Gesteinsschichten. Die Folgen können Erdbeben sein. Dies ist zwar bei der untiefen Geothermie zur Wärmeerzeugung kaum der Fall. Bei der tiefen Geothermie jedoch besteht diese Gefahr, wie die Erderschütterungen bei den Tiefbohrungen in Basel 2006 oder 2013 in St. Gallen gezeigt hatten. Allerdings hat sich die Technologie stark weiterentwickelt, heute können bereits geringste seismische Verschiebungen registriert und so unter Kontrolle gehalten werden.
Nicht zuletzt müssen die geologischen Voraussetzungen gegeben sein. Das ist in der Schweiz nicht überall der Fall. Hinzu kommt, dass vor allem in der Schweiz die Erfahrungen mit solchen Projekten noch nicht sehr gross sind. Zwar wurden 2020 hierzulande bereits 4 Terawattstunden Wärme erzeugt (siehe Statistik von Geothermie Schweiz). Die Nutzung der Erdwärme zur Stromerzeugung hingegen steckt noch in den Kinderschuhen.
Geothermie-Projekte in der Schweiz – zwei Beispiele
Doch es bewegt sich etwas. An verschiedenen Standorten werden Projekte aufgegleist, so etwa in Lavey-les-Bains im Walliser Rhonetal und in einem Ökoquartier in Lausanne.
Lavey-les-Bains: Energie aus 2500 Meter Tiefe
Das innovative Geothermieprojekt von Alpine Geothermal Power Production (AGEPP) SA soll neue Erkenntnisse zur Stromerzeugung aus Erdwärme liefern. Das Unternehmen will zu Wasservorkommen mit einer Temperatur von mindestens 110 Grad vordringen. Dazu sind Bohrungen in grosse Tiefen nötig.
Projekt nach Bohrung sistiert: Die Temperatur in Lavey-les-Bains übertrifft die Erwartungen, aber Verbindungen zu Wasserquellen fehlen. [Redaktion, 22.11.2022]
Ziel des Projekts ist es, Strom für etwa 900 Haushalte zu erzeugen. Ein Teil der Restwärme wird für die Versorgung des Thermalbads Bains de Lavey mit geothermischem Wasser genutzt. Der Rest, etwa 40 Prozent des geförderten Volumens, wird zunächst wieder in das Reservoir eingeleitet, um weiter genutzt werden zu können. Zusätzliche Anwendungen wie Fernwärme, Gewächshäuser für den Gartenbau und Fischzucht sollen in Zukunft dazukommen.
Bohrtiefe 2,5 bis 3 Kilometer
Die ersten Ideen und Diskussionen fanden bereits im Jahr 2005 statt. Schnell nahm man Studien und unterirdische Explorationen in Angriff. Doch es sollte noch bis Januar 2022 dauern, bis die Bohrungen starten konnten. Bis in 2500 Meter Tiefe soll jetzt gebohrt werden. Sollte das nicht ausreichen, um die erwartete Förderrate und Temperatur zu erzielen, kann die Bohrung bis in eine Tiefe von 3000 Meter fortgesetzt werden. Die Bauarbeiten, die auch die Errichtung des Kraftwerks umfassen, in dem die Wärme in Strom umgewandelt wird, dauern sicher noch bis in die zweite Hälfte des Jahres 2023.
Die Bohrung der AGEPP ist nahe an einem bestehenen Warmwasser-Nutzung (P160) gelegen. (Illustration: AGEPP)
Plaines-du-Loup: Wegweisendes Ökoquartier in Lausanne
Ein ehrgeiziges Projekt hat auch die Stadt Lausanne in Angriff genommen. Das Ökoquartier Plaines-du-Loup soll bis 2032 Platz für rund 8000 Bewohnerinnen und Bewohner sowie 3000 Arbeitsplätze bieten – und dabei zentrale ökologische, soziale und wirtschaftliche Ansprüche der Stadt berücksichtigen.
Heizung für die 2000-Watt-Gesellschaft
Auf einer Fläche von rund 30 Hektar im Norden der Stadt entstehen Wohnungen und Büroräumlichkeiten, ausserdem Grünflächen, Sportanlagen und öffentliche Einrichtungen, wobei neueste Energie- und Umweltstandards eingesetzt werden. Ziel ist es, die Kriterien der 2000-Watt-Gesellschaft zu erfüllen. Bereits in diesem Jahr können die ersten Bewohnerinnen und Bewohner das neue Quartier beziehen.
Für die Wärmeversorgung wird Geothermie genutzt. Das Wärmepumpensystem ist mit einer Anlage gekoppelt, die Wärme aus dem Abwasser zurückgewinnt. Eine mehrere Jahre zuvor in Betrieb genommene Pilotanlage hat die benötigten Daten für das Projekt geliefert. Das nun installierte Erdwärmesondenfeld aus 35 koaxialen Erdwärmesonden ist das Ergebnis einer breit angelegten Studie, welche den Abstand und den Einfluss von Sonden in 500 und 800 Metern Tiefe untersucht hat.
Demnach ist die Rücklauftemperatur umso höher, je tiefer die Sonden liegen und je grösser der Abstand zwischen ihnen ist. Mit der gewählten Bohrtiefe von 800 Meter steigt der Ertrag pro Sonde um 20 bis 30 Prozent und es genügen 35 Sonden zur Deckung des Energiebedarfs.
Ein innovativer Ansatz, der wegweisend ist für viele weitere Projekte, die uns der nachhaltigen Energiezukunft ein Stück näher bringen.
Im Zentrum der Ersten Bauetappe steht das Schulhaus mit Turnhalle im obersten Geschoss. (Illustration: Aeby Perneger / Nicola Di Pietro)
Bleiben Sie auf dem Laufenden mit unseren neuen Beiträgen – monatlich im Posteingang.
Welche Bedeutung hat die Geothermie für unsere Energiezukunft?
Fünf Fragen an Nathalie Andenmatten, Leiterin Geothermie Kanton Genf und Präsidentin Geothermie Schweiz.
Heute werden in der Schweiz bereits mehr als 4 TWh pro Jahr an geothermischer Wärme produziert. Das entspricht ungefähr 5 Prozent des Schweizer Wärmebedarfs. Der überwiegende Teil kommt aus der oberflächennahen Nutzung der Geothermie mit Erdwärmesonden oder der Nutzung des Grundwassers. Erst eine einzige Anlage in Riehen (BS) nutzt die Wärme aus grösserer Tiefe. Dabei ist das Potenzial sehr gross – und wir nutzen erst einen winzigen Bruchteil davon! Geothermie-Schweiz hat in einem Positionspapier dargelegt, dass die Schweiz mehr als einen Viertel ihres gesamten Wärmebedarfs bis 2050 durch Geothermie decken kann – und das wirtschaftlich. Im untiefen Bereich könnte die Produktion auf mindestens 9 TWh pro Jahr mehr als verdoppelt werden. Aus mitteltiefer und tiefer Geothermie kämen demnach weitere rund 8 TWh pro Jahr hinzu.
Und nicht zuletzt ist die Geothermie auch deshalb interessant, da sie grosses Potenzial hat bei der Stromversorgung, der Kälteversorgung und der saisonalen Speicherung von Wärme und Kälte.
Der Vorteil der geothermischen Stromerzeugung liegt darin, dass es sich um eine Bandenergiequelle handelt, die sieben Tage die Woche und 24 Stunden am Tag zur Verfügung steht. Das Bundesamt für Energie BFE rechnet mit einem Beitrag von rund 2 TWh pro Jahr für die geothermische Stromproduktion. Je nach technologischer Entwicklung könnte diese Zahl aber durchaus nach oben korrigiert werden.
Das grösste Hindernis bleibt die mangelhafte Kenntnis des Untergrundes, verbunden mit finanziellen Risiken bei einem Scheitern des Projektes aufgrund fehlender Ressourcen. Selbst wenn der Bund heute beträchtliche Mittel zur Verfügung stellt (bis zu 60 % der Investitionen können durch Subventionen im Rahmen des CO2-Gesetzes und des Energiegesetzes gedeckt werden), bleibt das mit dieser Unsicherheit verbundene Risiko für die Projektträger (zu) gross. Hinzu kommt, dass die Branche heute noch nicht «reif» ist. Das betrifft den Markt und die Behörden gleichermassen und führt dazu, dass die Verfahren lang und komplex sind, Normen, Standards und Erfahrungswerte fehlen. Das verzögert und verteuert Projekte. Der Markt ist aber daran, sich zu entwickeln.
Zunächst einmal ist es wichtig zu verstehen, dass das seismische Risiko vom geologischen Kontext und den verwendeten Technologien abhängt. Es ist also nicht inhärent mit der Geothermie verbunden, und Projekte in mittlerer Tiefe in natürlichen Reservoirs wie Riehen oder dem Pariser Becken – wo mehr als 50 Geothermie-Anlagen seit einem halben Jahrhundert einen signifikanten Beitrag zur Wärmeversorgung leisten – sind nicht mit einem besonderen seismischen Risiko verbunden.
Für Projekte, die ein Risiko darstellen würden, haben sich die vorherrschenden Regeln für den Umgang mit induzierter Seismizität seit dem 2006 abgebrochenen Projekt in Basel stark verschärft. Es gibt heute Methoden, die es ermöglichen, auch die geringste seismische Aktivität zu erkennen und unter Kontrolle zu halten.
Trotz der Fortschritte ist die Geothermie in der Schweiz nach wie vor wenig bekannt. Wenn sie im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien erwähnt wird, beschränkt man sich oft auf eine Lösung für Einzelprojekte (Erdwärmesonden für Einfamilienhäuser) oder auf sehr tiefe Projekte zum Zweck der Stromproduktion, die mit einem Erdbebenrisiko verbunden sind (z.B. Haute Sorne). Man sollte besser von «Geothermien» im Plural sprechen und diese zu enge Sicht auf die Geothermie erweitern.
Es gibt eine Vielzahl von bestehenden Anlagen. Die Geothermie funktioniert in der Schweiz und anderswo auf der Welt bereits hervorragend und ist eine wertvolle Ressource, eine immense Quelle für Wärme, Kühlung und Strom. Ganz allgemein geht es darum, die Geothermie sichtbarer zu machen und das Bewusstsein dafür zu schärfen, dass wir in der Schweiz einen Untergrund haben, der reich an Ressourcen ist und dass es höchste Zeit ist, sich dafür zu interessieren.
Die Kommunikationsberaterin und Journalistin ist unter anderem als freie Autorin tätig, einer ihrer Schwerpunkte ist dabei der Bereich Energiewirtschaft und Nachhaltigkeit.
zu:
… aber auch Risiken
Demgegenüber stehen jedoch auch Risiken. Der Bau von Geothermieanlagen ist kostenintensiv und mit einem hohen Flächenbedarf verbunden. Die Bohrungen vor allem in grosse Tiefen bergen ein gewisses Gefahrenpotential für Verschiebungen von Gesteinsschichten. Die Folgen können Erdbeben sein. Dies ist zwar bei der untiefen Geothermie zur Wärmeerzeugung kaum der Fall. Bei der tiefen Geothermie jedoch besteht diese Gefahr, wie die Erderschütterungen bei den Tiefbohrungen in Basel 2006 oder 2013 in St. Gallen gezeigt hatten. Allerdings hat sich die Technologie stark weiterentwickelt, heute können bereits geringste seismische Verschiebungen registriert und so unter Kontrolle gehalten werden.
a) «hoher Flächenbedarf»
Wieso und wo? Im Verhältnis zu was?
Kaum! Bei der untiefen Geothermie nur einige Quadratmeter bei der Bohrung der EWS, anschliessend Null. Bei der tiefen Geothermie ja für ein Gebäude und Kühleinrichtungen. Im Verhältnis zur Photovoltaik, Stauseen etc. ist der Flächenbedarf gering.
b) «Erdbebenrisiken»
Was da in Basel passiert ist, war in einer bekannten Bruchzone (Rheingraben) und unvorsichtige Arbeitsweise. Man wollte ein Rissfeld (Wärmetauscher) mit hohem Druck, also mit Gewalt erzeugen. Das ist unprofessionell bei sprödem Gestein, wie jeder Bruchmechaniker weiss. Die erhöhte Messgenauigkeit der Mikrobeben löst das Problem nicht von allein! Es gehört ein entsprechendes Bohr- und Risserzeugungsverfahren dazu. Ausserdem gibt es auch Erdbebenrisiken nach der fertigen Installation und Inbetriebnahme der tiefen Geothermie. Durch das Einpressen des abgekühlten (kalten) Thermalwassers kann es weiteres Risswachstum im Untergrund geben (evtl. in Landau/D ?). Oft sind die Verhältnisse im tiefen Untergrund nicht ausreichend bekannt (Felsorientierung, Spannungszustand, Bruchzonen etc.)
Gruss Klaus Stärk
Kommentare: Was denken Sie?
Klaus F. Stärk
Vor 3 Jahren
zu:
… aber auch Risiken
Demgegenüber stehen jedoch auch Risiken. Der Bau von Geothermieanlagen ist kostenintensiv und mit einem hohen Flächenbedarf verbunden. Die Bohrungen vor allem in grosse Tiefen bergen ein gewisses Gefahrenpotential für Verschiebungen von Gesteinsschichten. Die Folgen können Erdbeben sein. Dies ist zwar bei der untiefen Geothermie zur Wärmeerzeugung kaum der Fall. Bei der tiefen Geothermie jedoch besteht diese Gefahr, wie die Erderschütterungen bei den Tiefbohrungen in Basel 2006 oder 2013 in St. Gallen gezeigt hatten. Allerdings hat sich die Technologie stark weiterentwickelt, heute können bereits geringste seismische Verschiebungen registriert und so unter Kontrolle gehalten werden.
a) «hoher Flächenbedarf»
Wieso und wo? Im Verhältnis zu was?
Kaum! Bei der untiefen Geothermie nur einige Quadratmeter bei der Bohrung der EWS, anschliessend Null. Bei der tiefen Geothermie ja für ein Gebäude und Kühleinrichtungen. Im Verhältnis zur Photovoltaik, Stauseen etc. ist der Flächenbedarf gering.
b) «Erdbebenrisiken»
Was da in Basel passiert ist, war in einer bekannten Bruchzone (Rheingraben) und unvorsichtige Arbeitsweise. Man wollte ein Rissfeld (Wärmetauscher) mit hohem Druck, also mit Gewalt erzeugen. Das ist unprofessionell bei sprödem Gestein, wie jeder Bruchmechaniker weiss. Die erhöhte Messgenauigkeit der Mikrobeben löst das Problem nicht von allein! Es gehört ein entsprechendes Bohr- und Risserzeugungsverfahren dazu. Ausserdem gibt es auch Erdbebenrisiken nach der fertigen Installation und Inbetriebnahme der tiefen Geothermie. Durch das Einpressen des abgekühlten (kalten) Thermalwassers kann es weiteres Risswachstum im Untergrund geben (evtl. in Landau/D ?). Oft sind die Verhältnisse im tiefen Untergrund nicht ausreichend bekannt (Felsorientierung, Spannungszustand, Bruchzonen etc.)
Gruss Klaus Stärk