Geothermie: Mehr als nur Erdwärme

Die Nutzung von Erdwärme ist für die Energiewende ein Muss. Nach Berechnungen des Fraunhofer IEG liegt der kumulierte Nutzwärmebedarf für Raumwärme und Warmwasser in Deutschland aktuell bei 780 bis 800 TWh im Jahr. Die Wissenschaftler erstellten speziell für die Nutzung von Geothermie eine Roadmap. Demnach hätten Erdwärmepumpen theoretisch das Potenzial, bis zu 75 Prozent dieses Wärmebedarfes, also etwa 600 TWh im Jahr, zu decken. Zudem können dieselben Systeme große Teile des in Zeiten der Klimaerwärmung steigenden Kühlbedarfs bereitstellen. Neben der reinen Geothermie kommen jedoch auch andere Formen der Abwärmenutzung infrage, so See- oder Flussthermie, die ähnliche Technologien wie die Geothermie nutzen.

Seethermie noch wenig erforscht

Eine der noch wenig erforschten Quellen für nutzbare Umweltwärme ist die Seethermie. Dabei birgt sie große Potenziale. Am Zwenkauer See im Leipziger Neuseenland wurde erstmals praxisnah getestet, wie eine Nutzung aussehen könnte. Der See hat eine Fläche von gut 1.200 Hektar und ist eines der vielen Tagebaurestlöcher, die inzwischen geflutet und einer wirtschaftlichen Nutzung, meist Tourismus, zugeführt wurden.

Der Geothermiespezialist "JENA GEOS" leitete ein einjähriges Verbundprojekt mit Partnern wie dem Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, dem Energiedienstleister Tilia und der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus. Dabei ging es um den Gewässerkörper von bis zu 50 Metern Tiefe, seine saisonalen Temperaturschichtungen und deren Beeinflussung etwa durch Wärmeentnahme. Damit konnte eine Simulation einer Wasserentnahme und der Wiedereinleitung nach Wärmeentzug gestartet werden.

Dieser Wärmeentzug erfolgt mit einem Vakuum-Flüssigeis-Verfahren. Damit wird dem Seewasser auf intelligente und energiesparende Weise Wärme entzogen. Das Funktionsprinzip ähnelt dem einer Wärmepumpe und kommt ohne Chemikalien aus. Die Simulation ergab letztlich einen wirtschaftlich möglichen Betrieb, der 150 Gebäude am Nordufer des Sees mit Wärme versorgen könnte. Hochgerechnet auf den ganzen See würde sich ein Potenzial von 1,5 Mio. kWh nutzbarer Wärme ergeben, was aber nur 0,015 Prozent der im See vorhandenen gesamten Wärmemenge ausmacht; und die würde sich auf natürlichem Wege regenerieren.

Die Seen des Leipziger Neuseenlands und andere in der Region geflutete Tagebaue besitzen nach Berechnungen von Jena-Geos Wärmepotenziale von 4.000 MW.

Doch eine Nutzung ist derzeit nicht abzusehen. „Im Zwenkauer See gibt es keine aktuellen Planungen, da letztlich die grundsätzliche Entscheidung, die Seewärme zu nutzen, beim Investor der dort betriebenen Feriendörfer liegt“, erklärt Kersten Roselt, Geschäftsführer von Jena-Geos und Leiter des Projektes. Initiativen zur Nutzung gäbe es einige, so bei den Avenida-Thermen Hohenfelden, in Ibbenbüren, Zeulenroda und am Bodensee, sowie in Halle und Jena-Burgau (hier aber unter Nutzung der Saale). Eine Demonstrationsanlage des Verbundvorhabens "AQVA HEAT I" laufe bereits am Fluss Mandau in Zittau.

Damit ein See für die Nutzung infrage kommt, muss er groß, nicht zu flach, aber gut durchströmt sein. Als Schwierigkeiten sieht Roselt das noch unbekannten Terrain für Investoren. Eine Lernkurve stehe noch aus. Zudem sei das zu gewinnende Abwärmeniveau nur für kalte Nahwärmenetze geeignet und nicht für herkömmliche Fernwärmeversorgung. Und: Es gebe keine oder keine einheitlichen genehmigungsrechtlichen Regelungen.

Flusswasserwärmepumpe bereits im Einsatz

Auch aus Flüssen lässt sich Umweltwärme gewinnen. In Berlin will BTB ab diesem Frühjahr mit zwei Großwärmepumpen Wasser aus der Spree am Standort Heizkraftwerk Schöneweide zu Heizzwecken nutzen. Jede Pumpe hat 3.500 kW thermischer Leistung, die eine Vorlauftemperatur von 90 Grad Celsius liefern können – ausreichend für konventionelle Fernwärmenetze. Sie sollen ein Drittel des Sommerwärmebedarfs der Kunden im Netz decken. Zu dem System gehören auch zwei KWK-Anlagen. Durch die Wärmepumpen erreichen sie den Status der iKWK, der für die Förderung bedeutsam ist.

Die Nutzung von Spreewasser ist an dem Kraftwerksstandort nicht unbekannt. Bisher diente es zur Kühlung. Nun wird es auf das Gelände geleitet, gereinigt und ihm die Wärme entzogen – und das von April bis Oktober jeden Jahres. Die Ausgangstemperatur liegt dabei nach Unternehmensangaben bei 8 Grad Celius, der Rücklauf dürfte noch 4 Grad Celius haben. Letztlich käme man auf 2,5 MWh Wärme je eingesetzter MWh Strom (JAZ von 2,5).

Aquifere können für Heiz- und Kühlzwecke genutzt werden

Ebenfalls am Wasser, wenn auch in der Erde verborgen, hängen Aquifere, also grundwasserführende Schichten, deren Wärmemengen ebenfalls nutzbar sind. Sie sind längst dem Forschungsdasein entschlüpft und werden in mehreren Projekten deutschlandweit zur Gewinnung von Wärme und Kühlenergie genutzt. Sie sind eine der wenigen regenerativen Energieformen, mit denen jahreszeitliche Lastverschiebungen ausgeglichen werden können.

Jena-Geos ist auch hier in Mitteldeutschland aktiv. Gemeinsam mit der Friedrich-Schiller-Universität Jena, dem Planungsbüro e7 und der Technischen Beratung für Systemtechnik – Bernd Felgentreff wurde eine Potenzialstudie erstellt. Demnach können die Aquifere sowohl zum Heizen als auch Kühlen genutzt werden. Im Sommer wird kaltes Grundwasser über einen Brunnen aus dem Aquifer gepumpt und zur Kühlung genutzt. Danach wird das erwärmte Grundwasser über einen weiteren Brunnen in den Aquifer zurückgeführt und dieser wieder erwärmt. Im Winter erfolgt das umgekehrte Prinzip. Geeignet sei dies vor allem für Gebäude mit ganzjährigem Klimatisierungsbedarf, so Bürogebäude, Flughäfen, Universitäten, Einkaufszentren oder Krankenhäuser. In den Niederlanden werden bereits 2.800 solcher Anlagen betrieben.

Davon ist man hierzulande noch weit entfernt. Das Mitteldeutsche Revier ist geeignet, weil hier einer oder mehrere übereinanderliegende Grundwasserleiterkomplexe mit einer Mächtigkeit von mindestens 5 Metern vorhanden sind, insbesondere im Gebiet der Weißen Elster. Eine erste Praxistauglichkeit wird derzeit für den Leipziger Klinikkomplex St. Georg erforscht (E&M berichtete in der Ausgabe 4/2021 bereits darüber).

Roselt sieht in Aquiferen vor allem saisonale Speicher, es wird Wärme im Sommer eingebracht und im Winter entnommen. Wärmequellen könnten Solarthermieanlagen oder vor allem betriebliche Prozesswärme sein. Die Grundwasserleiter müssten dafür grundwassergefüllt und gut durchströmbar sein mit einer Mindestmächtigkeit von 5 Metern. Besser wären jedoch mehr als 10 Meter. Jena-Geos hat solch ein System bereits für das Städtische Klinikum Karlsruhe geplant.
 
Neue Formen der Geothermie

Einen Doppelnutzen von Geothermie, also die Erzeugung von Strom und Wärme, verspricht der Eavor-Loop. Das von der gleichnamigen Firma entwickelte System besteht aus mehreren miteinander verbundenen Vertikalbohrungen, die Horizontalbohrungen miteinander verbinden und ein in sich geschlossenes System darstellen. Die Umwelteinflüsse bleiben dadurch nach Unternehmensangaben gering. Das Loop soll skalierbar und an nahezu allen Verbrauchsorten installierbar sein – und das bei einem geringen Flächenverbrauch. Wie andere Geothermiequellen auch, ist dieses System grundlastfähig. Im Unterschied dazu soll jedoch der Ertrag schon im Vorfeld genau berechenbar sein.

Eine erste Erprobung fand in der kanadischen Provinz Alberta statt. Hier wurde in bis zu 2.400 Metern Tiefe und auf einer Länge von 2.000 Metern gebohrt. Die so erschlossene Wärmemenge liegt bei 11.250 MWh jährlich.

Weiterführende Studien
Die Roadmap Oberflächennahe Geothermie – Erdwärmepumpen für die Energiewende – Potenziale, Hemmnisse und Handlungsempfehlungen (Stand Juni 2022) der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie (IEG) kann auf der Seite des Bundesverbands Geothermie unter www.geothermie.de im Bereich heruntergeladen werden.

Die Metastudie zur nationalen Erdwärmestrategie – Ersatz fossiler Brennstoffe im Bereich Raumwärme und Warmwasser durch Geothermie als unverzichtbarer Bestandteil im Energiesektor Ökowärme bis 2045 vom Mai 2022 des Leibniz-Instituts für Angewandte Geophysik findet sich ebenfalls auf der Verbandswebseite www.geothermie.de.