Geothermie nutzt die in der Erdkruste natürlich vorhandene Wärmeenergie zum Heizen, Kühlen oder zur Stromerzeugung. Sie ist witterungsunabhängig, ganzjährig und regional verfügbar sowie unabhängig von der Verbrennung fossiler Rohstoffe.
Die geothermisch genutzte Tiefenwärme stammt aus dem über 5.000 °C heißen Erdinneren und ist durch den ständigen Zerfall radioaktiver Elemente unerschöpflich. Bereits wenige Meter unterhalb der Erdoberfläche beginnen die Temperaturen kontinuierlich anzusteigen. Man spricht vom „geothermischen Gradienten“. In Deutschland liegt dieser bei durchschnittlich drei bis vier Grad pro 100 m, wodurch in 3.000 m Tiefe ca. 100 °C erreicht werden.
Je nach Standort, geologischem Aufbau des Untergrunds und Anwendungsgebiet gibt es verschiedene Einsatzformen der Geothermie.
Verschiedene Anwendungsformen der Geothermie
Geothermie ist nicht gleich Geothermie - je nach Tiefe der Bohrungen oder zum Einsatz kommenden System gibt es Unterschiede.
Oberflächennahe Geothermie
Bei einer Tiefe von bis zu 400 m und Temperaturen von bis zu 25 °C spricht man von oberflächennaher Geothermie.
Denkbare Einsatzbereiche für diese Technologie sind das Beheizen und Kühlen von Gebäuden, technischen Anlagen, Infrastruktureinrichtungen oder Gewächshäusern. Die Erdwärme kann mithilfe eines Erdwärmekollektors, einer Erdwärmesonde oder eines Grundwasser-Brunnens gewonnen und mit einer Wärmepumpe auf die gewünschte Temperatur gebracht werden.
Eine Erdwärmesonde reicht standardmäßig 100 m tief in den Untergrund. In ihrem Inneren zirkuliert in mindestens einem geschlossenen Kreislauf eine Wärmeträgerflüssigkeit. Mithilfe einer Pumpe wird diese zunächst an die tiefste Stelle der Sonde und anschließend wieder nach oben gepumpt. Anschließend erhöht eine Wärmepumpe die Temperatur auf das benötigte Niveau, bevor die Erdwärme als Heizwärme zur Verfügung steht.
Im Gegensatz zur Erdwärmesonde reicht ein Erdwärmekollektor nicht besonders weit in den Untergrund. Stattdessen werden in einer Tiefe von 0,8 bis 1,6 m auf einer Fläche, die etwa doppelt so groß ist wie die zu beheizende Fläche, sogenannte Wärmetauscher-Rohre verlegt. Innerhalb dieser Rohre zirkuliert wiederum eine Wärmeträgerflüssigkeit – in diesem Fall eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel. Auch der Erdwärmekollektor ist auf eine Wärmepumpe angewiesen.
Bis einschließlich 30. Juni 2024 können sich unter anderem Privatpersonen, Wohnungseigentümergemeinschaften, Kommunen und gemeinnützige Organisationen den Umstieg auf oberflächennahe Geothermie in Verbindung mit einer Wärmepumpe mit maximal 100.000 € pro Gebäude vom Land NRW fördern lassen. Details zum Antrag finden Sie hier.
Mitteltiefe Geothermie
Bei Bohrtiefen von 400 m bis ca. 2.000 m und Temperaturen zwischen 40 und 70 °C im Zielhorizont spricht man von mitteltiefer Geothermie. Allerdings gibt es keine allgemein verbindliche Definition für diese Anwendungsform, Abweichungen von den hier genannten Zahlen sind demnach je nach Quelle möglich.
Bei der mitteltiefen Geothermie sind sowohl Erdwärmesonden, die mit einer Wärmeträgerflüssigkeit operieren, als auch die Nutzung natürlicher Wasservorkommen, wie bei der hydrothermalen Geothermie, denkbar.
Je nachdem, welche Temperaturen für die weitere Nutzung benötigt werden, kann der zusätzliche Einsatz einer Wärmepumpe notwendig sein. Dafür hat die mitteltiefe Geothermie den Vorteil, dass kleinere und preiswertere Bohrgeräte als bei der Tiefengeothermie eingesetzt werden können.
Tiefe Geothermie
Bei Tiefen unterhalb von 2.000 m und Temperaturen über 60 °C spricht man von tiefer Geothermie. Ab 120 °C kann neben der Gewinnung von Wärme außerdem Strom erzeugt werden.
Hydrothermale Tiefengeothermie
Auch bei dieser Technologie sind verschiedene Einsatzformen möglich. Gängig ist die sogenannte hydrothermale Tiefengeothermie. Hierbei wird auf natürliche Tiefenwasservorkommen zurückgegriffen. Diese finden sich meist in Sand- oder Kalkgesteinen, die eine hohe Porosität und Verkarstung aufweisen. In diesen kleineren und größeren Höhlen und Gängen kann das heiße Tiefenwasser, v. a. entlang von sogenannten Bruchzonen, zirkulieren. Unterhalb von Düsseldorf und Duisburg befinden sich zwei für die hydrothermale Geothermie interessante Gesteinsschichten: Der Kohlenkalk und der devonische Massenkalk. Deren Lage und Mächtigkeit erkundete der GD NRW im Rahmen seiner geothermischen Charakterisierung im Herbst 2022. Weitere Untersuchungen sowie Probebohrungen werden zeigen müssen, ob und wo tatsächlich Tiefenwasser in ausreichender Menge und Geschwindigkeit fließt.
Um das heiße Tiefenwasser für die Wärme- oder Stromerzeugung zu nutzen, sind mindestens zwei Bohrungen, eine sogenannte Dublette, notwendig. In einer Förderbohrung gelangt das Wasser an die Oberfläche, wo es seine Wärmeenergie im Geothermiekraftwerk an ein Fernwärmenetz oder eine Strom-Turbine abgibt. Anschließend wird das abgekühlte Tiefenwasser zurück in die Entnahmeschicht geleitet – es handelt sich um ein geschlossenes System.
Petrothermale Tiefengeothermie (EGS)
Eine zweite Möglichkeit, die Wärme aus der Tiefe zu erschließen, ist die sogenannte petrothermale Geothermie. Diese kann zum Einsatz kommen, wenn keine wasserführenden Schichten im Untergrund verfügbar sind. Liegt beispielsweise ein heißer Granitstein vor, kann dieser angebohrt und bereits bestehende feine Risse können mithilfe hydraulischen Drucks erweitert werden. Anschließend wird durch eine Injektionsbohrung kühles Wasser in die Gesteinsschicht eingebracht, wo es sich erwärmt und mithilfe einer oder mehrerer Förderbohrungen zurück an die Oberfläche gepumpt wird. Dort kann die gewonnene Wärmeenergie wiederum zur Fernwärm- oder die Stromerzeugung dienen, bevor das abgekühlte Wasser zurück in den Untergrund geleitet wird.
Bei der petrothermalen Geothermie handelt es sich nicht um Fracking, wie es beispielsweise aus der Erdgas-Förderung bekannt ist. Die sogenannte hydraulische Stimulation zur Erweiterung der natürlich vorhandenen Risse im Gestein benötigt keine zusätzlich beigemischten Chemikalien.
In Düsseldorf und Duisburg ist indes keine petrothermale Geothermie geplant. Die Erkundungen dienen ausschließlich der Identifizierung möglicher für die hydrothermale Geothermie geeigneter Schichten. Eine hydraulische Stimulation ist hier NICHT notwendig.