Eine Energie der Zukunft nutzbar machen

Für die Energieversorgung der Zukunft sind neue Konzepte erforderlich. Die Vorräte der fossilen Energierohstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas gehen ihrem Ende entgegen. Hinzu kommt, dass der Energiebedarf weltweit noch erheblich steigen wird. Ein umweltfreundlicher Weg aus diesem Dilemma kann hier die Nutzung des „Heizkraftwerks Erde“ sein. Denn Geothermie (der Begriff stammt aus dem Griechischen und bedeutet Erdwärme) ist eine Klima schonende Energie, die uns die Erde zur Verfügung stellt. Es handelt sich hierbei um die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Erdoberfläche. Je tiefer man in das Innere der Erde vordringt, desto wärmer wird es. In Mitteleuropa nimmt die Temperatur um etwa 3 °C pro 100 m Tiefe zu. Man geht davon aus, dass im Erdkern Temperaturen von etwa 5.000 - 7.000 °C erreicht werden. Diese in der Erde gespeicherte Wärme ist nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich.

Weltweit auf dem Vormarsch

Die Bedeutung der Geothermie für die Wärmeversorgung und Stromerzeugung nimmt laufend zu. Derzeit sind weltweit Anlagen mit einer thermischen Leistung von insgesamt 50,6 GW sowie mit einer elektrischen Leistung von insgesamt 10,7 GW installiert (Stand 2010). Dies sind 60% bzw. 20% mehr als fünf Jahre zuvor.

Deutschlandbelegt bei der installierten Kapazität zur Wärmeerzeugung mit rund 2,5 GW thermischer Leistung weltweit bereits den 5. Rang (nach den USA und China sowie den deutlich bevölkerungsärmeren Ländern Schweden und Norwegen). Bei der Stromerzeugung hingegen liegt Deutschland mit 7,3 MW bzw. 0,0073 GW im weltweiten Vergleich bislang noch auf einem der hinteren Plätze.

Für die Zukunftgehen Experten von einem deutlichen Wachstum der Erdwärmenutzung aus. Einer Prognose des Bundesverbands Erneuerbare Energie (BEE) zufolge wird die Stromerzeugung durch Geothermie in Deutschland bis 2020 auf jährlich 3.750 Gigawattstunden (GWh) ansteigen. Im Jahr 2011 waren es 19 GWh, was dem jährlichen Strombedarf von 6300 Zweipersonen- Haushalten entspricht. Auch die Bundesregierung strebt einen deutlichen Ausbau an: In ihrem „Nationalen Aktionsplan für Erneuerbare Energien“, den sie im August 2010 beschlossen hat, nennt sie als Ziel eine Stromerzeugung aus Geothermie von 1.654 GWh im Jahr 2020. Nicht ganz so viel wie die Vertreter der Erneuerbaren Energien-Branche, aber doch deutlich mehr als derzeit. Ähnlich sieht es bei der Wärme aus, wo der BEE eine Leistung von 26.000 GWh im Jahr 2020 erwartet, nach 6.300 GWh bereitgestellter Wärme im Jahr 2011. Die Bundesregierung hat sich 14.400 GWh als Ziel gesetzt, wobei sie insbesondere auf ein schnelles Wachstum der Tiefen Geothermie setzt. Die Geothermie soll im Zusammenspiel mit den anderen Erneuerbaren Energien die Wärme- und Stromversorgung nach und nach von den fossilen Energieträgern (Kohle, Öl und Gas) und der Atomkraft übernehmen. (Quelle: Bundesverband Geothermie)

Deutschland ein Zukunftsstandort – auch für Geothermie

Da die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie in ganz Deutschland auch für private Hausbesitzer auf dem eigenen Grundstück möglich ist, wurden bereits rund 265.000 solcher Systeme realisiert – und jedes Jahr kommen zahlreiche Anlagen hinzu. Eine Übersicht, wie weit die Nutzung Oberflächennaher Geothermie in den einzelnen Bundesländern Deutschlands verbreitet ist, ist auf den jährlichen Ranglisten der erdwärmeLIGA einzusehen.

Tiefe Geothermieprojekte werden zur Wärmeversorgung ganzer Ortschaften und Stadtteile eingesetzt bzw. in einigen Fällen sogar zur Erzeugung von Strom. Entsprechend sind die Projekte auch weitaus umfangreicher in der Vorbereitung und Umsetzung. Hinzu kommt, dass bislang vor allem die hydrothermalen Reservoire Deutschlands erschlossen werden konnten. Die 20 bis heute realisierten Projekte befinden sich daher zum größten Teil im süddeutschen Molassebecken sowie auch im Norddeutschen Becken und im Oberrheingraben. Weitere 19 Anlagen werden jedoch bereits gebaut bzw. gebohrt und 74 befinden sich in der Planung. Die Nutzung des immensen Potenzials der Tiefen Geothermie in Deutschland wird also weiter vorankommen.

(Eine aktuelle Übersichtsliste der tiefen Geothermieprojekte in Deutschland sind im Internet zu finden unter www.geothermie.de. Eine ausführliche Darstellung der Projekte in Deutschland befindet sich auf der Plattform www.geothermie-dialog.de)

Zwei Wege führen zum Ziel

Je nach Tiefe der Bohrung wird zwischen Oberflächennaher Geothermie und Tiefer Geothermie unterschieden. Die Oberflächennahe Geothermie nutzt Bohrungen bis ca. 400 m Tiefe  (VDI Richtlinie 4640) und Temperaturen bis 25°C für das Beheizen und Kühlen von Gebäuden, technischen Anlagen oder Infrastruktureinrichtungen. Die Wärme wird also aus dem oberflächennahen Untergrund gewonnen. Dabei wird zunächst meist ein Wärmetauscher eingesetzt. Das bedeutet, Wasser oder eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert in einem geschlossenen Rohrsystem im Untergrund und nimmt die Wärme aus dem Boden auf. Diese Wärme wird an der Oberfläche an die Wärmepumpe abgegeben und durch sie auf das zum Heizen notwendige Temperaturniveau gebracht. Der Untergrund kann aber auch direkt als Quelle für Klimakälte genutzt werden, was eine aufwändige Kälteerzeugung in Klimaanlagen spart. Typische Systeme der Oberflächennahen Geothermie sind Erdkollektoren, Erdwärmesonden, Grundwasserbrunnen oder auch erdberührte Betonbauteile („Energiepfähle“).↓

Eine besondere oberflächennahe Lösung GRD – Intelligente Erdwärmegewinnung

Neue Bohrverfahren und Bohrtechniken tragen zur weiteren Verbreitung der Nutzung von Erdwärme bei. Noch ist es gängige Praxis, Erdwärme durch lotrechte Bohrungen zu erschließen. Die dafür benötigte Bohrtechnik ist aufwändig, teuer und verursacht nicht selten Flurschäden. So ist es nicht ungewöhnlich, dass ein erheblicher Teil der Investitionskosten allein auf das Bohren entfallen kann. Das bremst die Investitionsbereitschaft vieler Hauseigentümer. Mit dem neuen GRD-Verfahren lassen sich die Kosten deutlich senken. So wie der Baum seine Wurzeln in die Erde treibt, ermöglicht das GRD-Verfahren, dass Erdwärmesonden von einem kleinen Schacht aus strahlenförmig (radial) in alle Richtungen und Neigungen, auch unterhalb von Gebäuden, eingebracht werden können. Möglich ist das nur mit dem eigens hierfür entwickelten kompakten, technisch bedienerfreundlichen GRD 4R der Tracto Technik GmbH & Co. KG, Lennestadt.

Das GRD-System nutzt die Verfahrensvorteile horizontal und vertikal verlegter Erdwärmekollektoren/ Erdwärmesonden. Das System nutzt mehrdimensional sowohl die Breite als auch die Tiefe des Grundstücks ohne tiefliegende Grundwasserhorizonte zu beeinträchtigen.

(zum GRD-Verfahren lesen Sie bitte auch auf Seite 44 unser Interview mit MBA,Dipl. Geologe Andreas Hagedorn, Bereichsleiter Geothermie, Tracto-Technik GmbH & Co. KG)

Auf die Sondendimensionierung kommt es an

Aus dem individuellen Wärme-/Kältebedarf eines Gebäudes wird unter Berücksichtigung der jeweiligen örtlichen geologischen Verhältnisse die Sondenlänge mit Richtung und Tiefe ermittelt. Je größer die Spreizung der Sonden, desto geringer die mögliche gegenseitige Beeinflussung. Die Erdwärmesonden liegen mit max. 11- 40 m Tiefe größtenteils unterhalb der von Jahreszeiten und Sonneneinstrahlung beeinflussten Bodenzone. Das heißt konstanter Wärmeentzug, der in bindigen, feuchten, wasserführenden Zonen besonders ergiebig ist. Solche Zonen können bevorzugt angesteuert werden. Je nach Zuschnitt des Grundstückes ist der Erdwärmesondeneinbau von der Mitte des Grundstückes aus sternförmig flexibel gestaltbar. Zu beachten ist eine möglichst kurze Zuleitung / Anbindung vom Schacht zur Wärmepumpe.

Zur wirtschaftlich optimalen Dimensionierung des Sondenfeldes kann eine Simulationssoftware, wie z.B. Earth Energy Designer (EED) eingesetzt werden. Auf Grundlage dessen entsteht der Bohrplan. Dieser ist Grundlage für die Genehmigung einer Erdwärmeanlage. Die Bohrtiefen sind maschinenseitig bis auf ca. 40 m beschränkt. Dies ist in Wasserschutzzonen und in Gebieten mit artesischen Brunnen ein Genehmigungsvorteil.

Wärmebedarf exakt ermitteln

Die Auslegung des GRD-Systems hängt vom Wärmebedarf ab. Einflussfaktoren sind Wohnfläche, der Zustand der Wärmedämmung, das Heizsystem und die jährliche Betriebsdauer. Der Wärmebedarf für ein gut isoliertes Einfamilienhaus (Neubau) liegt bei einer Wohnfläche von 120 qm durchschnittlich zwischen 8 und 11 kW.

Den Boden fest im Blick

Ausschlaggebend für die Entzugsleistung ist die Bodenbeschaffenheit. Der Idealboden für einen hohen dauerhaften Wärmeentzug ist ein weicher, feuchter Boden - noch besser mit Grundwasserfluss. Geologische Karten geben detailliert verlässliche Auskunft über die Bodenbeschaffenheit. Natürlich ist es gut, den Eigentümer zu befragen, denn die Suche nach lokalen Wasserwegsamkeiten ist immer sinnvoll. Die durchschnittliche Entzugsleistung liegt bei 40-50 Watt pro Meter Sondenlänge.

Koaxialsonden sichern die Funktion

Eingesetzt werden Koaxialsonden. Hierbei handelt es sich um ein in sich geschlossenes Doppelrohrsystem aus PE. In dem Innenrohr strömt die kalte Sole nach unten und erwärmt sich beim Aufsteigen in dem Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr. Gegenüber Doppel-U-Sonden sind Koaxialsonden leicht zu installieren. Sie erzeugen nur geringe Druckverluste und haben eine Lebensdauer von mindestens 100 Jahren.

Klein aber oho: Geodrill 4R

Die Radialvortriebe nach dem GRD-Verfahren werden mit einer kleinen und leistungsstarken Anlage erstellt. Die Anlage besteht aus der Antriebseinheit und einer Bohrlafette mit Drehkranz, der auf einem vorkonfektionierten Schachtelement (Tiefe 1 m, Durchmesser 1 m) montiert wird. Der Schacht ist jederzeit für Service und Wartung zugänglich. Die Anlage wird auf dem Drehkranz mit dem Schacht verbunden und auf den gewünschten Neigungswinkel sowie die Position auf dem Drehkranz für jeden Ansatzpunkt flexibel eingestellt. Gebohrt wird nach einem festgelegten Plan. Die Bedienung ist unkompliziert und kann von geschultem Fachpersonal ausgeführt werden.

Radialbohrungen nutzen die Erdwärme effizient und sind auch über längere Kälteperioden eine verlässliche Wärmequelle. Laut einer Studie die Uni Siegen (2009) beeinflussen sich Radialbohrungen kaum gegenseitig und sind deshalb hocheffizient. Sonne und Regen bewirken eine schnelle Regeneration der Erdwärme. Radialbohrungen unter Gebäuden nutzen Wärmeverluste durch die Bodenplatte.

GRD-PRAXIS: Erdwärme auf schwierigem Terrain

In hochwertiger Wohnlage, über den Dächern der badischen Stadt Müllheim mit 18.000 Einwohnern im Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald, sollte ein 400 m² Wohnhaus inkl. Schwimmbad mit Erdwärme beheizt werden.

Aufgrund der Vorkommnisse im 15 km entfernten Staufen geht man in der Region äußerst sensibel mit dem Thema Erdwärme um. Dort verursachten im Jahre 2007 mehrere bis zu 140 m tiefe Bohrungen Risse und Setzungen in Häuserfassaden.

Schwierige geologische Bedingungen

Die hierdurch sensibilisierte Untere Wasserbehörde im Landratsamt Breisgau/ Hochschwarzwald genehmigte die aktuellen Bohrarbeiten somit nur mit strengen Auflagen und der Einleitung eines wasserrechtlichen Verfahrens:

– Bohrtiefenbeschränkung bis 45 m unter GOK

– ständige Aufsicht und Kontrolle der Bohrung durch einen mit der regionalen Geologie vertrauten Geologen

– Vorhalten von Absperrvorrichtungen zum Beherrschen von artesisch gespanntem Grundwasser

– Vorhaltung eines Gasmessgerätes zur permanenten Kontrolle von Gasaustritten wie CO₂, H₂S und CH₄ während der Bohrarbeiten

– Dokumentation und Kontrolle der Bohrarbeiten bei gleichzeitiger geologischer Ansprache des ausgetragenen Bohrguts mit anschließender Archivierung des Materials

– zertifiziertes Bohrunternehmen nach DVGW W 120

Der Bauherr beauftragte das ortsansässige Architekturbüro Zeller-Eisenberg mit der Bauleitung. Dieses wiederum holte sich einen erfahrenen Partner an Bord - die Firma Fritz Planung GmbH mit Hauptsitz in Bad Urach. Der Fritz Planung oblag die von der Unteren Wasserbehörde geforderte Bauaufsicht, Überwachung und Dokumentation.

Das nach DVGW-Arbeitsblatt W 120 zertifizierte Bohrunternehmen H. Anger’s Söhne aus Hessisch-Lichtenau erhielt als Spezialist in Sachen Erdwärme den Auftrag, die Bohr- und Ausbauarbeiten mit der GRD-Bohrgerätetechnik des Sauerländer Bohrgeräteherstellers Tracto-Technik auszuführen.

Reibungsloser Bauablauf

8 Radialbohrungen mit insgesamt 310 Sondenmeter wurden unter Neigungswinkeln von 50º und 65º von einem zentralen Bohrschacht aus mit der speziellen Gerätetechnik von Tracto-Technik in kurzer Zeit gebohrt. Die Bohrlochlängen der einzelnen Bohrlöcher erreichten max. 42 m.

Aus sicherheitstechnischen Gründen, wurde die erste Bohrung anfangs unter einer Neigung von 65º im Druckluftspülbohrverfahren abgeteuft. Nach erfolgreicher Erledigung dieser Arbeit gab der Geologe Entwarnung - das zweiköpfige Bohrteam durfte mit Luft-/Wasserspülung weiter bohren.

„Mit der gegenwärtigen Bohrtiefenbeschränkung in Baden Württemberg war diese Baumaßnahme nur mit dem GRD- Bohrverfahren möglich“, so die Aussage des beaufsichtigenden Fachmanns.

Die schwierigen geologischen Bedingungen (Braunjuragesteine in Teilschollen des Oberrheingrabens) erlaubten die Fertigstellung von bis zu zwei Bohrungen pro Tag. Die Koaxialsonde wurde mit einer von Tracto-Technik entwickelten hydraulischen Einschubvorrichtung eingebracht und anschließend mit einem sulfatbeständigen Verpressmörtel der Firma Fischer verfüllt. Nach insgesamt acht Arbeitstagen war die Baustelle inklusive aller Vor- und Nacharbeiten (Schachtausbau, Anbindung an das Haus) fertig gestellt.

Alle Beteiligten zeigten sich über die komplikationslose Vorgehensweise auf der Baustelle glücklich und begeistert. Trotz der schwierigen Rahmenbedingungen gelang es, die EWS-Anlage erfolgreich zu installieren und den Bewohnern behagliche Wärme in der kalten Jahreszeit zu liefern.

Weit hinunter: Tiefe Geothermie

Tiefe Geothermieprojekte, die, anders als die Oberflächennahe Geothermie, auch die Energie aus größeren Tiefen als 400 m nutzen, werden zur Wärmeversorgung ganzer Ortschaften und Stadtteile eingesetzt bzw. in einigen Fällen sogar zur Erzeugung von Strom. Als Wärmequelle dienen die in großen Tiefen vorhandenen Thermalwässer oder das Energiepotential des Tiefengesteins. Die Nutzung dieser Ressourcen ist jedoch technisch sehr viel aufwändiger als in der oberflächennahen Geothermie und wird im Wesentlichen im Rahmen von Großprojekten realisiert.

Für den Bereich der tiefen Geothermie wird generell zwischen drei Arten  der Wärmeentnahme unterschieden:

- Tiefe Erdwärmesonden

- Hydrothermale Systeme

- Petrothermale Systeme

Die Frage, welches der drei Verfahren eingesetzt werden soll, hängt von den geologischen Voraussetzungen am Standort ab, von der benötigten Energiemenge und vom Temperaturniveau der Wärmenutzung.

Tiefe Erdwärmesonden

Die tiefen Erdwärmesonden bestehen überwiegend aus einer 2.000 bis 3.000 m tiefen Bohrung mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein Fluid zirkuliert. Es handelt sich um ein geschlossenes System zur Erdwärmenutzung. Im Ringraum der Bohrung befindet sich das kalte Wärmeträgermedium, es fließt nach unten, erwärmt sich hierbei und steigt anschließend durch das dünnere Innenrohr wieder nach oben. Es besteht kein Kontakt mit dem Grundwasser und die tiefen Erdwärmesonden können standortunabhängig überall eingesetzt werden. Im Vergleich zu den offenen Systemen ist ihre Leistung meistens geringer. Die tiefen Erdwärmesonden dienen überwiegend zur Beheizung von größeren Gebäuden, Krankenhäusern oder Schwimmbädern.

Hydrothermale Systeme

In Deutschland entstanden geothermische Heizwerke zuerst dort, wo es im Untergrund Thermalwasser gibt. Größere Vorkommen finden sich z.B. in der Norddeutschen Tiefebene, in der Süddeutschen Molasse und im Oberrheingraben. Bei diesen hydrothermalen Systemen wird das warme oder heiße Grundwasser über eine Tiefbohrung an die Oberflächen gefördert, energetisch genutzt und über eine weitere Bohrung wieder in den Untergrund zurückgeleitet, und zwar in die Schicht, aus der es auch entnommen wurde. Auf diese Weise wird das hydraulische Gleichgewicht im Untergrund erhalten und das Thermalwasservorkommen nicht „leergepumpt“. Systeme mit zwei Bohrungen nennt man geothermische Dublette. Für die reine Wärmenutzung sind Temperaturen von bis zu ca. 100 °C geeignet. (Strom lässt sich in diesen Temperaturbereichen noch nicht effizient nutzen). Für diese Wärme gibt es eine Vielzahl von Nutzungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel die Versorgung von großen Gebäudekomplexen sowie die Nah- oder Fernwärmenutzung.

Petrothermale Systeme

In vielen Regionen Deutschlands liegen keine hydrothermalen Verhältnisse vor. Deshalb spielt für die zukünftige Nutzung der tiefen Geothermie die Enhanced Geothermal Systems (EGS, oder auch Hot Dry Rock, HDR, genannt) eine zentrale Rolle. Hierbei werden trockene Gesteinsformationen mit produktivitätssteigernden Maßnahmen zur Wirtschaftlichkeit geführt.

Das grundlegende Verfahrensprinzip klingt relativ einfach: Das in der Tiefe vorhandene heiße Gestein wird über Bohrungen erschlossen. Zwischen den Bohrungen werden mit Wasserdruck, also hydraulisch, Fließwege aufgebrochen oder vorhandene auf­geweitet. So wird eine Art unterirdischer Wärmetauscher erzeugt, in dem sich von der Oberfläche eingepresstes Wasser erhitzen kann, um nach dem Wärmeentzug wieder nach unten gefördert zu werden. Die Zirkulation erfolgt in einem Kreislauf. (Quelle: www.energie-agentur-nrw.de)

Alles klar geregelt

Die Genehmigungspraxis für Geothermiebohrungen kann von Bundesland zu Bundesland stark variieren. Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG), das Bundesberggesetz (BBergG) und das Lagerstättengesetz (LagerstG) auf Bundesebene, sowie die jeweiligen Landeswassergesetzgebungen sind die wichtigsten rechtlichen Grundlagen, die bei Errichtung und Betrieb einer Erdwärmeanlage zu beachten sind.

Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) sieht für Anlagen zur Erdwärmenutzung, die das Grundwasser beeinflussen könnten, eine Genehmigungspflicht vor. Gewässerbenutzungen bedürfen nach § 2 WHG einer wasserrechtlichen Erlaubnis, die die zuständige Untere Wasserbehörde erteilt. In einem wasserrechtlichen Verfahren wird geklärt, inwieweit Bau und Betrieb einer Anlage zur Erdwärmenutzung – ggf. durch behördliche Auflagen und Bedingungen – im Einklang mit dem Schutz des Grundwassers stehen.

Bundesberggesetz (BBergG)

Nach § 3 BBergG gilt Erdwärme als bergfreier Bodenschatz, d. h. das Eigentum an einem Grundstück erstreckt sich nicht auf die Erdwärme. Wer bergfreie Bodenschätze aufsuchen will, bedarf der Erlaubnis nach § 7 BBergG, wer sie gewinnen will, bedarf der Bewilligung nach § 8 BBergG oder des Bergwerkeigentums. Die Anträge zur Aufsuchung und Gewinnung sind bei der zuständigen Bergbehörde einzureichen. Wird die Erdwärme grundstücksbezogen genutzt, so liegt keine bergrechtliche Gewinnung nach § 4 BBergG vor. Diese Ausnahme vom Verfahren ist bei der Gewinnung oberflächennaher Geothermie der Regelfall und gilt grundsätzlich ohne weitere Prüfung, wenn die Erdwärmeentnahme keine signifikante Auswirkung auf benachbarte Grundstücke hat. Dies ist bei Entnahmeleistungen von unter 30 kW und ausreichendem Abstand zu benachbarten Grundstücken der Fall. Unabhängig hiervon sind alle Bohrungen, die tiefer als 100 m sind, nach § 127 BBergG mindestens zwei Wochen vor Bohrbeginn der zuständigen Bergbehörde anzuzeigen. Daraufhin entscheidet diese, ob für die Bohrung ein Betriebsplan nach § 51 ff BBergG erforderlich ist. Ist dies nicht der Fall, bestätigt die Bergbehörde lediglich die Bohrungsanzeige.

Lagerstättengesetz (LagerstG)

Alle maschinengetriebenen Boh­­rungen müssen nach § 4 LagerstG 2 Wochen vor Bohrbeginn beim Geologischen Dienst des jeweiligen Bundeslandes angezeigt werden. Sofern es der GD verlangt, müssen die Schichtenverzeichnisse nach Abschluss der Bohrarbeiten vorgelegt werden. Die Geologischen Dienste erhalten so neue Erkenntnisse und können Karten über den Aufbau des Untergrundes aktualisieren. Die Bohrungsergebnisse werden nur mit Einverständnis des Bohrungseigentümers an Dritte weitergegeben.

Interessante Links:

www.energieagentur.nrw.de

www.erdwaermeliga.de 

www.geothermie.de

www.geothermie-dialog.de

www.waermepumpe.de

www.tracto-technik.de