Erdwärme ist eine wichtige erneuerbare Energiequelle. Die Geothermie ist eine vielversprechende Nutzung von Wärmequellen und auch Wärmespeichern im natürlichen Untergrund. Der natürliche Untergrund wird im Mittel etwa 3°C wärmer pro 100 Meter Tiefe. Diese Wärme lässt sich zum Heizen nutzen. Während eine durchschnittliche Grundwassertemperatur eines flachen (im Sinne von nicht weit unter der Oberfläche) Aquifers (Grundwasserleiters) im Jahresmittel etwa 10 bis 15 °C beträgt, finden wir zum Beispiel in zwei Kilometern Tiefe bereits 70 bis 80 °C heißes Wasser vor. Man kennt beispielsweise die vielen Thermalquellen im Süddeutschen Raum. Es gibt Gegenden in Deutschland, wo der geothermische Gradient sogar noch größer ist, die bekannteste in Deutschland liegt im Oberrheingraben.

Kühles Grundwasser kann im Sommer z.B. zum Kühlen von Gebäuden genutzt werden. In diesem Fall wird das kühles Wasser entnommen und nachdem es sich in den Gebäuden aufgewärmt hat, wieder zurück in den Aquifer eingeleitet. Dabei dürfen bestimmte Temperaturen nicht überschritten werden. Es ist denkbar, dass in städtischen Gebieten mehrere Betreiber von Geothermieanlagen einen Grundwasserleiter beeinflussen. Daher müssen die gegenseitigen Beeinträchtigungen sowie die Gesamtauswirkungen auf den Aquifer prognostiziert werden, um von Seiten der Genehmigungsbehörden solchen Projekten zuzustimmen, sie abzulehnen oder zu beschränken. 

Interaktive Geothermie-Simulation

Die Interaktive Geothermie-Simulation zeigt genauso ein Beispiel. Hier sind mehrere Geothermiebrunnen aktiv und je nach Grundwasserströmung und Injektionsraten lassen sich die entstehenden Temperaturfahnen im Grundwasser abbilden.

Das gezeigte Beispiel fällt in die Kategorie der „flachen Geothermie“. Flach wieder deshalb, weil es in geringer Tiefe stattfindet (ca. 100 Meter). Grundsätzlich davon unterschieden wird die „tiefe Geothermie“ (ab 2 Kilometer). Letztere ist pro Bohrung sehr viel aufwändiger, weil es in Tiefen von bis zu 2-3 Kilometern geht. Das Gestein in dieser Tiefe ist normalerweise sehr undurchlässig. Daher muss es erstmal hydraulisch gebrochen („gefrackt“) werden, so dass Wasser zirkulieren kann, welches heiß entnommen wird und dann kalt wieder eingespeist wird.

Während die flache Geothermie typischerweise in Porengrundwasserleitern stattfindet, ist die tiefe Geothermie durch Strömungen in stark geklüftetem Gestein charakterisiert. Das ist ein Anknüpfungspunkt für den SFB1313 und den Forschunsgbereich B „Fracture propagation and fluid flow“ (Rissausbreitung und Fluidströmung).

Sieht man sich diese fiktive Stadt an, erkennt man die verschiedenen Erd- und Gesteinsschichten unter ihr. In allen Schichten befindet sich Grundwasser. Je tiefer die Schicht, desto wärmer wird es. In Deutschland wird es unabhängig von der Jahreszeit pro 100 m Tiefe im Schnitt um ca. 3 °C wärmer. Das heißt, die Temperatur des Grundwassers nimmt in der Tiefe dementsprechend natürlich auch zu.

Die verschiedenen Erd- und Gesteinsschichten.
Credits : Universität Stuttgart / Adaptiert von Sara Enab

Die Temperatur des Grundwassers und des Gesteins im Untergrund nimmt durchschnittlich um 3°C pro 100 m Tiefe zu. Sie ist daher höher als die mittlere Umgebungstemperatur, welche in Deutschland etwa 10°C beträgt.

Mittlere Umgebungstemperatur + Tiefe x 3°C

In einer Tiefe von 2 km beträgt sie bereits zwischen 70 und 80 °C.

Tiefe vs. Flache Geothermie
Credits: Universität Stuttgart / Adaptiert von Sara Enab

Tiefe vs. Flache Geothermie
Credits: Universität Stuttgart / Adaptiert von Sara Enab

CO2-Abscheidung und -Speicherung im natürlichen Untergrund

Ein weiteres Beispiel für die Nutzung des natürlichen Untergrundes ist die CO₂-Speicherung. Wir Menschen produzieren CO₂ bei Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen in Kraftwerken, beim Heizen, im Flugverkehr oder beim Autofahren. Ganz nebenbei bemerkt, wir atmen es sogar selbst aus. Wenn das CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt wird, vermindert es wie in einem Treibhaus die Rückstrahlung von Energie in den Weltraum und die Erde heizt sich auf, was wiederum das Klima beeinflussen kann.

Das Konzept der CO₂-Speicherung, das 1996 erstmals in der Nordsee vor der Küste Norwegens umgesetzt wurde, besteht darin, CO₂ tief unter die Erde zu pumpen. So wie Öl und Gas für Millionen von Jahren unter der Erde bleiben können, so kann auch CO₂ unter der Erde bleiben, wenn es an den richtigen Stellen platziert wird.

Dieses Experiment wurde von der „Porous Media Group“ der Universität Bergen in Norwegen aufgebaut und durchgeführt. Es stellt einen anschaulichen Querschnitt durch die Nordsee dar und zeigt, wie die Injektion von CO₂-Gas zur Anreicherung ebendieses unter nahezu undurchlässigen Schichten feinen Sandes führt. Mit der Zeit löst sich ein Großteil des CO₂ im Wasser auf, das in unterirdischen Sandschichten sowieso immer vorhanden ist.

Credits: Prof. Dr. Jan M. Nordbotten, Universität Bergen (Norwegen)

Wie lässt sich die Wärme nutzen?

Wie lässt sich die Wärme nutzen?
Credits: Universität Stuttgart/ Adaptiert von Sara Enab