Geothermie: Die nie versiegende Energiequelle

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.

10 Min.
Baustelle mit Bohrturm

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.

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.

Nathalie Andenmatten, Präsidentin Geothermie Schweiz

Viele Chancen …

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.

Strom für 900 Haushalte

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)

Welche Bedeutung hat die Geothermie für unsere Energiezukunft?

Fünf Fragen an Nathalie Andenmatten, Leiterin Geothermie Kanton Genf und Präsidentin Geothermie Schweiz.

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  • Klaus F. Stärk

    Vor 6 Monaten

    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

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