Geothermie – die noch weitgehend ungenutzte Wärmequelle in der Tiefe

Geothermie stand lange im Schatten fossiler Energieträger – jetzt kann sie ihre Stärken ausspielen

Von Peter Rummel*

Wind, Sonne und Wasserkraft stehen im Fokus des strategischen Ausbaus der erneuerbaren Energien. Damit wird ein großer Anteil des Strombedarfs klimaneutral produziert. Wesentlich anspruchsvoller gestaltet sich die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung, welche einen Löwenanteil des Endenergieverbrauchs (EEV) beansprucht. In einigen Regionen Deutschlands bietet Geothermie eine nachhaltige und verlässliche alternative Energiequelle. Aktuelle Projekte lassen das weitgehend ungenutzte Potenzial dieser Technologie beim Auf- und Ausbau von Wärmenetzen erahnen.

Der schwere Abschied vom Gas

„Wir haben ein Wärmeproblem, kein Stromproblem“, so Vizekanzler und Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz Robert Habeck (Grüne). Beim Ausbau der erneuerbaren Energien stehen primär Wind, Sonne und Wasserkraft im Fokus, welche bei günstigen Witterungsverhältnissen einen großen Anteil des Strombedarfes klimaneutral decken. Weniger positiv sieht es bei der Dekarbonisierung der Wärmeversorgung aus, welche den Großteil des EEV beansprucht. Seit 1. Februar 2023 ist der Gaspreisdeckel in Kraft getreten, die aktuellen Gaspreise liegen weit unter der Grenze, ab der dieser europäische Mechanismus greifen würde. Die deutschen Gasspeicher sind noch gut gefüllt, und für diese Heizperiode ist laut Bundesnetzagentur nicht mehr mit Versorgungsengpässen zu rechnen.

Ein kritischer Blick auf die Ursachen für diese erfreuliche Situation zeigt jedoch, dass wir einfach Glück hatten mit einem milden Winter. Die Versorgungssicherheit mit Gas konnte durch die Errichtung einer LNG (Liquid Natural Gas)-Infrastruktur und Zukäufen von europäischen Nachbarn auf einem relativ moderaten Preisniveau gesichert werden. Einsparungen beim Verbrauch von fossilen Energieträgern oder der Ausbau klimaneutraler Energiequellen blieben deutlich hinter den Erwartungen zurück.

Nachhaltige Wärme zu jeder Jahreszeit

Die Erde ist ein in menschlichen Dimensionen betrachtet unerschöpflicher Wärmespeicher. Ihr Kern und Mantel sind mehrere tausend Grad heiß, lediglich die verhältnismäßig dünne Kruste ist kälter. Der Berliner Polar- und Geowissenschaftler Alfred Wegener hat erkannt, dass die gesamte Erdoberfläche aus einem Puzzle sich verschiebender und überlagernder Platten gebildet wird.¹ Dadurch entstehen Regionen, in denen Erdwärme sich für die energetische Nutzung anbietet.

Sehr eindrucksvoll ist das Ausmaß der vorhandenen Wärmeenergie bei Vulkanausbrüchen zu bestaunen, wobei eine direkte Nutzung der Energie kaum möglich ist. Geysire liegen wesentlich näher am Konzept einer wirtschaftlichen Nutzung der Erdwärme. Wasser gelangt über Klüfte und Risse in der Oberfläche in tiefere Schichten, wird dort erhitzt und schießt unter hohem Druck wieder an die Oberfläche (siehe Titelbild). Weniger spektakulär, aber deutlich weiter verbreitet sind heiße Quellen vulkanischen Ursprungs.

Flexible Nutzung der Energie aus der Tiefe

Im Jahr 1904 ist es erstmals in Larderello in der Toskana (Italien) gelungen, mit Geothermie Elektrizität zu erzeugen. Heute befindet sich dort Europas größte Geothermie-Anlage zur Stromproduktion. An nur wenigen Orten wird ausschließlich mit reiner Gas- und Wasser-Entnahme aus dem Untergrund gearbeitet. Die meisten Anlagen sind auf entsprechende Kreisläufe ausgelegt, die durch gezielte Entnahme und anschließende Einspeisung die Problematik versiegender Reservoire und der Entsorgung des salzhaltigen Wassers umgehen. Dieser Prozess führt nur zu sehr geringen Volumen- oder Druckveränderungen im Untergrund und stellt daher eine nur sehr geringe Gefahr dar, Bergschäden zu verursachen oder Erdbeben auszulösen.

Aufgrund zahlreicher klimaneutraler Alternativen zur Stromerzeugung und der begrenzten Anzahl an geeigneten Standorten wurde die Umwandlung von Erdwärme in Strom kaum vorangetrieben und der Fokus auf Wärmegewinnung gelegt. Diese ist mit wesentlich geringeren Bohrtiefen und an weit mehr Standorten wirtschaftlich sinnvoll, da bereits mit niedrigeren Temperaturen eine Wärmeversorgung betrieben werden kann (Bild 2).

Bild 2: Darstellung der Erschließungsverfahren mit Angaben zur Bohrtiefe und Temperatur. (Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt)

Wärmepumpen – oberflächennahe Geothermie

Wärmepumpentechnologie nutzt sogar die obersten Meter des Erdbodens für Heizzwecke. Schon bei Bodentemperaturen weit unter der erforderlichen Heiztemperatur wird der Boden unter Aufwendung elektrischer Energie weiter abgekühlt und die entzogene Wärmeenergie dem Heizsystem zugeführt. Dieses Prinzip machen sich auch Systeme zunutze, die Wärme aus dem Grundwasser oder der Umgebungsluft gewinnen. Befeuert durch eine sehr interessante Förderung vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA)² machen der Ausbau und die technische Weiterentwicklung von Wärmepumpenanlagen große Forstschritte. Aktuell werden bis zu 40 % der förderfähigen Kosten gefördert, sofern sie die entsprechenden technischen Mindestanforderungen erfüllen.

REPower EU – Europas Bekenntnis zur direkten Wärmegewinnung

In Ergänzung des „Green Deals“ hat die Europäische Kommission im Mai 2022 den „REPowerEU“-Plan vorgelegt und das Ausstiegsszenario aus fossilen Energieträgern konkretisiert. Die wesentlichen Komponenten sind Energieeinsparung durch Effizienzsteigerung, Diversifizierung in der Beschaffung (aktuell primär LNG, mittelfristig grüner Wasserstoff) und der Ausbau erneuerbarer Energien.

Die detaillierte Auflistung der Ziele für den Ausbau der erneuerbaren Energien nennt explizit „die Verdoppelung des Einsatzes von Wärmepumpen und Maßnahmen zur Integration von Geothermie und Solarthermie in modernisierte Fern- und Gemeinschaftswärmesysteme“ [1].

Umstieg von fossilen Individuallösungen in nachhaltige Wärmenetze

Um durch den Einsatz von Wärmepumpen eine ehrliche Dekarbonisierung zu erreichen, muss der für den Betrieb erforderliche Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Nutzung von Geothermie zeichnet sich im Betrieb durch einen geringen Energiebedarf aus. Neuplanungen und die komprimierte Umstellung der dezentralen fossilen Anlagen bietet die einmalige Gelegenheit, Ressourcen zu bündeln und Wärmeinfrastruktur neu zu denken. Es existieren bereits zahlreiche wegweisende Projekte, die das Potenzial von Fern- und Nahwärmenetzen belegen. Das heiße Wasser wird direkt zum Verbraucher geliefert, meist werden mehrere Gebäude, Straßen oder sogar ganze Stadtteile versorgt.

Von thermischen Problemen zur willkommenen Wärme

Fern- und Nahwärmenetze schaffen nicht nur Synergien auf der Verbraucherseite, es können auch unterschiedliche Wärme-Einspeiser eingebunden werden. Tiefengeothermie kann hier eine zentrale Rolle als stabiler Grundpfeiler spielen. Rechenzentren produzieren eine beachtliche Wärmemenge und werden oftmals aufwendig gekühlt. Hinter „Heizen mit dem Internet“ steckt der valide Ansatz, diese Wärme für Heizzwecke zu nutzen. Bei der Erzeugung von Strom mit fossilen Energieträgern oder in Atomkraftwerken entsteht parallel Wärme, die derzeit nur bedingt genutzt wird. Auch industrielle Prozesse können einen wertvollen Beitrag beim Betrieb von Wärmenetzen leisten. Die Wirtschaftlichkeit des Netzes steigt mit der Anzahl der Verbraucher und Einspeiser.

Wettbewerb der erneuerbaren Energien

Geothermie hat lange Zeit im Schatten der fossilen Energieträger gestanden. Durch die aktuellen politischen und klimatischen Herausforderungen kann die Geothermie ihre Stärken voll zur Geltung bringen. Bei geeigneten Vorsichtsmaßnahmen können bei Bau und Betrieb Beeinträchtigungen des Grundwassers und der Bodenstabilität nahezu ausgeschlossen werden. In der Bilanzierung der erneuerbaren Energien ist der Flächenverbrauch im Gegensatz zu leistungsstarken Fotovoltaikanlagen gering, da sich wesentliche Komponenten der Anlage im Untergrund befinden. Die Bauhöhe ist niedriger als bei üblichen Windkraftanlagen und es gibt keine beweglichen Teile wie Rotorblätter die Schlagschatten oder störende Geräuschentwicklung verursachen.

Unabhängig von Wirtschaft und Witterung

Der entscheidende Vorteil liegt in der Unabhängigkeit von Wetter, Jahreszeiten oder Auswirkungen des Klimawandels. Die Zuverlässigkeit und die Berechenbarkeit der Kosten und Erträge spielen für Betreiber wie Stadtwerke und Investoren eine entscheidende Rolle. Geothermie liefert exakt, was heute gefordert wird: Nachhaltigkeit, Planbarkeit, Unabhängigkeit und Preisstabilität.

Stadt und Stadtwerke gehen mit gutem Beispiel voran

In Bayern kommt der lokale Ausbau der Windenergie und der Stromtrassen nicht wie geplant voran. Doch München hat schon früh ein umfassendes Energiekonzept entwickelt und will bis zum Jahr 2035 klimaneutral werden. Zentraler Hebel ist dabei die Umsetzung einer kommunalen Wärmestrategie, die neben ökologischen Aspekten auch die sozial verträgliche Entwicklung der Heizkosten im Blick behält. Das Energiekonzept nutzt die volle Bandbreite der erneuerbaren Energien. Windenergie, Solarenergie für die Erzeugung von Strom und Wärme, Wasserkraft, Biomasse wie auch das volle Spektrum der Oberflächennahen- und Tiefengeothermie.

Bild 3: Geothermisches Informationssystem – Darstellung des geothermischen Potenzials, Bohrungen, Verwerfungen und Standorte. (Quelle: Leibniz Institut für Angewandte Geophysik – GeotIS – Geothermisches Informationssystem)

Tiefengeothermie in München – Spitzenreiter

München liegt im bayerischen Molassebecken – neben dem Norddeutschen Becken und dem Oberrheingraben eine besonders für den Einsatz von Tiefengeothermie geeignete Region. Die Stadtwerke München haben bereits früh das Potenzial der Geothermie und der geologischen Lage erkannt (Bild 3). Die Anlage in der Messestadt Riem ging schon 2004 in Betrieb, bei der Planung für den neuen Stadtteil Freiham (Bild 4) im Münchner Westen wurde ein Fernwärmenetz mit in die Erschließungsplanung aufgenommen, der Standort Süd ist mit rund 80.000 versorgten Haushalten aktueller deutscher Rekordhalter bei der Nutzung von Tiefengeothermie. Komplexe langfristige Planungen dieser Tragweite erfordern eine gute Zusammenarbeit aller Akteure auf Basis einer umfassenden aktuellen Datenbasis. Bedarfsplanung, Ausbauentwicklung und die Berücksichtigung potenzieller Einspeisungen werden vorab simuliert, Betrieb, Wartung und Steuerung optimiert.

Bild 4: Heizwerk Freiham. (Quelle: Stadtwerke München SWM)

Digitaler Zwilling München

Die Vision für eine weltoffene und klimaneutrale reale Stadt geht Hand in Hand mit der Vision zu ihrem Abbild in der digitalen Welt für Analysen, Simulationen und Was-Wäre-Wenn-Szenarien.

Der Digitale Zwilling ist das digitale Herzstück der Zukunftsstadt München. Damit kann den Herausforderungen der Smart City München mit innovativen Lösungen begegnet werden. Zentrale Zukunftsthemen wie Klimaschutz, eine zukunftsorientierte Mobilität oder die integrierte Stadtentwicklung können die Stadtfamilie mit dem Digitalen Zwilling bestmöglich umsetzen. [3]

Moderne Netze – Grundlage für flexiblen Ausbau

Zeitgleich zur digitalen Planung der Energieversorgung erfolgen in München sehr reale und konkrete Schritte. Der historisch entstandene Parallelbetrieb von Dampfnetz und Heizwassernetz wird auf ein einheitliches Heizwassernetz überführt. Im Rahmen der Umstellung werden auch umfassende Modernisierungen durchgeführt, eine wichtige Grundlage für die weitere strategische Planung. Die Stadtwerke München (SWM) und die Erdwärme Grünwald (EWG) werden ihre Zusammenarbeit weiter ausbauen. Durch den Zusammenschluss der bestehenden Geothermie-Anlagen wird eine höhere Versorgungssicherheit erreicht. Auch bei der Exploration weiterer Standorte werden Synergien genutzt.

Bild 5: Visualisierung der Temperaturverteilung im Untergrund – Darstellung zweier alternativer Bohrungen mit Leapfrog Geothermal von Seequent / Bentley Systems Inc. (Symbolbild) (Quelle: Seequent / Bentley Systems Inc).

Metropolen, Kommunen und Stadtwerke – Serviceprovider

Auch andere Metropolen setzten bereits auf Geothermie für die nachhaltige, klimaneutrale Wärmeversorgung. Paris ist aufgrund geeigneter geologischer Strukturen (Bild 5) in der Lage, 250.000 Haushalte mit Erdwärme zu versorgen, verfügt aber auch über das größte unterirdische Kühlsystem Europas. Pumpen verteilen über ein 90 Kilometer langes Rohrleitungsnetz abgekühltes Wasser in der Stadt. Parallel zum technischen Fortschritt von Versorgungsnetzen ist eine spannende Entwicklung bei der Planung und dem Betrieb von Infrastruktur zu beobachten. Es wird verstärkt in Systemen gedacht – der Service-Gedanke rückt in den Vordergrund. Strukturen aus Kommunen, Stadtwerken und weiteren Beteiligten legen ihren Fokus nicht mehr auf die Errichtung einzelner Anlagen. Anforderungen werden in ihrem Gesamtzusammenhang gesehen. Es entstehen Angebote für nachhaltige Klimatisierung, klimaneutrale Stromversorgung, ökologisches Wassermanagement und flexible Mobilität.

Systeme müssen und sollten neu gedacht werden. Schließlich geht es auch darum, den Ausstieg aus individuellen fossilen Heizsystemen als Initialzündung für die gemeinschaftliche Nutzung der Geothermie zu begreifen.

¹ Plattentektonik.
² Zum 1.1.2023 traten neue BEG-Richtlinien in Kraft  (BEG Bundesförderung für effiziente Gebäude).

Literatur und Quellenverzeichnis:
> www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-fuer-fossile-erneuerbare-waerme
> www.energiewechsel.de/KAENEF/Redaktion/DE/FAQ/FAQ-Uebersicht/Richtlinien/bundesfoerderung-fuer-effiziente-gebaeude-beg.html
> www.lfu.bayern.de/geologie/geothermie/index.htm

* Über den Autor

Peter Rummel, Director of Public Policy and Advocacy bei Bentley Systems, berät Regierungsinstitutionen und Verbände, welchen Beitrag die digitale Transformation auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft leisten kann. Peter Rummel bringt über 20 Jahre Erfahrung in verschiedenen Funktionen bei international agierenden Software-Unternehmen mit. Unter anderem arbeitete er im Vertrieb, Marketing und Business Development und verfügt darüber hinaus über umfassendes technisches Wissen. Nach seinem Studium der Geophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München begann er seine Karriere in einem Ingenieurbüro mit Schwerpunkt auf der Erkundung natürlicher Ressourcen und Umwelttechnik. Anschließend wechselte er zu Autodesk, als dort das Portfolio um Lösungen für GIS / Geospatial erweitert wurde. Ab dem Jahr 2000 arbeitete er fünf Jahre lang für den internationalen Software-Dienstleister Mensch und Maschine und leitete schließlich das GIS-Team und die Geodatenstrategie in Europa. Als er zu Autodesk zurückkehrte, konzentrierte sich Peter Rummel auf die Integration einer wichtigen Akquisition von Geodatentechnologie und das Partner-Ökosystems von Autodesk in Mitteleuropa.
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