Geothermie nutzt die natürliche Wärme der Erde als nachhaltige Energiequelle. Welche verschiedenen Formen von Geothermie es gibt, wofür sie genutzt werden können und welche Potenziale es noch zu erforschen gibt, lesen Sie in unseren Fragen und Antworten:

Woher stammt die Erdwärme?

Die Wärmeenergie hat ihren Ursprung im tiefen Erdinneren. 30 bis 50 Prozent der Erdwärme stammt noch aus der Zeit der Erdentstehung vor rund 4,5 Milliarden Jahren. Der größte Teil der Energie entsteht beim Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente in den Gesteinen. In diesem andauernden Prozess wird so stetig Wärme „nachproduziert“. Der Wärmetransport aus dem Erdinneren erfolgt über verschiedenartige Strömungsprozesse bis in die Erdkruste. Die treibende Kraft ist dabei das Temperaturgefälle zwischen dem rund 5.000 bis 7.000 Grad heißen Erdkern und der kühlen Erdoberfläche. Der Wärmetransport erfolgt innerhalb des zähflüssigen Gesteins über Konvektion und innerhalb des festen Gesteins über Konduktion.

Welche Arten von Geothermie gibt es?

Allgemein lässt sich zwischen oberflächennaher Geothermie und Tiefengeothermie unterscheiden. Bis zu einer Tiefe von circa 400 Metern spricht man von oberflächennaher Geothermie, danach von Tiefengeothermie.

Was ist oberflächennahe Geothermie?

Die oberflächennahe Geothermie, die unter anderem mit Erdwärmesonden gewonnen wird, ist in Deutschland bereits weit verbreitet und wird im Niedertemperaturbereich mit weniger als 20 Grad Celsius vornehmlich zur Versorgung einzelner Gebäude genutzt. Mit Erdwärmesonden wird dem Erdreich über eine in Rohren zirkulierende Flüssigkeit Wärmeenergie entzogen. Die Wärmeenergie wird dann in einer Wärmepumpe auf 35 bis 50 Grad angehoben und zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung genutzt. 2020 gab es bundesweit mehr als 440.000 Anlagen, die oberflächennahe Geothermie nutzten – jährlich kommen rund 20.000 Systeme hinzu. Für die Beheizung von großen Gebäudekomplexen oder für Industrieanlagen reicht diese Energie jedoch nicht aus. Eine größere Wärmeleistung kann über die Tiefengeothermie in mehr als 400 Metern Tiefe erzeugt werden, wo weitaus höhere Temperaturen vorherrschen.

Wie funktioniert Tiefengeothermie?

Über Tiefbohrungen von mehr als 400 Metern Tiefe werden Wärmequellen im geologischen Untergrund erschlossen. Dies geschieht zumeist über sogenannte Doubletten, bei dem heißes Wasser aus einem Brunnen gefördert und nach dem Wärmeentzug über einen zweiten Brunnen wieder in den Untergrund gepumpt wird.

So kann heißes Thermalwasser mit Förderbohrungen und Förderpumpen an die Oberfläche befördert und in einem Thermalkreislauf zur Wärmeversorgung ganzer Stadtquartiere genutzt werden. Ab einer Temperatur von 120 Grad ist zudem eine Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken möglich. Hier wird heißer Dampf eingesetzt, um eine Turbine-Generator-Kombination anzutreiben. Aufgrund hoher Erschließungskosten und des Risikos von Fehlbohrungen ist Tiefengeothermie bislang aber nur wenig verbreitet. Dennoch gilt diese Form der Energiegewinnung als wichtiger Baustein der Energiewende und kann die Abhängigkeit von Energieimporten sowie von der schwankenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien deutlich verringern. Aus diesem Grund fördert die Bundesregierung einen beschleunigten Ausbau der tiefengeothermischen Energienutzung und stellt über die Ministerien umfangreiche Mittel für Forschungs- und Entwicklungsprojekte sowie für die Erschließung von tiefen Geothermiequellen zur Verfügung.

Welche Formen der Tiefengeothermie gibt es?

Bei der Tiefengeothermie unterscheidet man zwischen hydrothermalen und petrothermalen Systemen. Derzeit werden überwiegend hydrothermale Systeme genutzt, bei denen heiße Thermalwässer, die durch natürliche Hohlräume im Untergrund wie Poren, Klüfte oder Brüche zirkulieren, über tiefe Brunnen gefördert werden. Diese Thermalwässer haben Temperaturen von bis zu 180 Grad Celsius. In petrothermalen Systemen wird auf die Wärme des heißen Grundgesteins unterhalb von 2.000 Metern zurückgegriffen. Sie besitzen durch Temperaturen von über 200 Grad Celsius ein deutlich höheres Wärmepotential als hydrothermale Quellen. In petrothermalen Systemen wird in künstlich vergrößerte Risse und Klüfte unter hohem Druck Wasser oder verflüssigtes Kohlendioxid eingepresst. Diese Wärmeträger erhitzen sich im Gestein, werden über die Förderbohrung wieder an die Erdoberfläche gepumpt und fließen in Wärmetauscher zur Erzeugung von Wärmeenergie. Über Injektionsbohrungen können diese Wärmeträger wieder unter hohem Druck in das künstliche Kluftsystem der Gesteinsschicht zurückgeführt werden.

Wo kann Tiefengeothermie in Deutschland genutzt werden?

Theoretisch eignen sich große Teile des deutschen Untergrundes für die Tiefengeothermie. Das Fehlen geeigneter geologischer Formationen, die sich mit vertretbarem wirtschaftlichen Aufwand erschließen lassen, begrenzen die Potentialgebiete jedoch. Außerdem fehlen für viele Gebiete die erforderlichen geologischen Informationen. Derzeit werden in Deutschland ausschließlich hydrothermale Systeme genutzt, die sich zumeist in drei besonders geeigneten Gebieten befinden: dem Norddeutschen Becken, dem Süddeutschen Molassebecken und dem Oberrheingraben.

Sind Risiken mit der Tiefengeothermie verbunden?

Eingriffe in den geologischen Untergrund können zu Veränderungen des natürlichen Spannungsfeldes führen, was wiederum seismische Ereignisse wie Beben zur Folge haben kann. Diese Erschütterungen sind in der Regel an der Erdoberfläche nicht spürbar. In Einzelfällen, insbesondere bei der hydraulischen Stimulation eines Gesteinskörpers, sind stärkere Erdbeben möglich, die Auswirkungen auf die Bausubstanz haben können. Um dies zu verhindern, werden im Rahmen von Forschungsprojekten zuverlässige Monitoringsysteme zur Überwachung von Spannungen im Untergrund entwickelt, wodurch ein rechtzeitiges Eingreifen der Anlagenbetreiber möglich ist. So kann z. B. durch eine zeitweise Reduzierung der Fördermenge die Wahrscheinlichkeit von spürbaren seismischen Ereignissen deutlich minimiert werden. Veränderungen des Untergrundes, wie zum Beispiel Hebungen oder Absenkungen, aber auch eine Trinkwassergefährdung lassen sich durch eine intensive geologische Vorerkundung ausschließen. Insofern sind die Umweltrisiken beherrschbar.

Welchen Beitrag kann die Tiefengeothermie in Deutschland leisten?

Derzeit stammt in Deutschland weniger als ein Prozent der regenerativ erzeugten Wärme aus der Tiefengeothermie. Nach einer aktuellen Studie hat Tiefengeothermie das Potenzial, ein Viertel des gesamten deutschen Wärmebedarfs zu decken. Um den Anteil dieser grundlastfähigen erneuerbaren Energie deutlich zu steigern, plant die Bundesregierung ein umfangreiches Förderprogramm, das sowohl der verbesserten Erschließung von Geothermie dient als auch offene Forschungsfragen klären soll. Ziel ist demnach, bis 2030 den bisherigen Anteil der Geothermie an der Wärmeversorgung zu verzehnfachen.