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2.5 – Geothermische Energie

Bei der geothermischen Energienutzung sind prinzipiell zwei Reservoirtypen zu unterscheiden:

  • die so genannten dampfdominierten Heißwasserreservoire sind gut für die Stromerzeugung geeignet. Sie werden auch Hochenthalpie-Lagerstätten genannt und kommen ausschließlich in geodynamisch aktiven Zonen der Erde vor, zum Beispiel in Indonesien, Island, Italien, Japan, Mittelamerika, Neuseeland, auf den Philippinen oder in den USA;
  • so genannte flüssigkeitsdominierte Warm- oder Heißwasserreservoire, auch Niedrigenthalpie-Lagerstätten genannt, sind nur zum Teil für die Stromerzeugung nutzbar. Sie eignen sich besser für die Wärmegewinnung. In Deutschland existiert ausschließlich dieser Reservoirtyp.

Deutschland liegt mit einer jährlichen Erdwärmenutzung von circa 1.680 Gigawattstunden weltweit auf dem 15. Rang. Der weitaus größte Teil dieser direkt genutzten Erdwärme wird derzeit (2006) mit dezentralen Erdwärmesonden (circa 800 Megawatt thermisch) aus geringer Tiefe bis etwa 250 Meter gewonnen. Etwa 177 Megawatt entfallen auf etwa 140 zentrale Anlagen mit einer Kapazität von jeweils über 100 Kilowatt thermisch. Die Stromerzeugung aus Erdwärme steht in Deutschland zwar erst am Anfang, das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) hat aber eine Reihe neuer Geothermievorhaben zur Stromerzeugung angeregt.

Erdwärmesonden

Obwohl dampfdominierte Reservoire mit hohem Energieinhalt in Deutschland nicht auftreten, beträgt das vorhandene geothermische Potenzial sowohl für die Elektrizitäts- als auch für die Wärmegewinnung ein Vielfaches des Bedarfs. Um dieses Potenzial nutzen zu können, muss vor allem die Nutzung der tiefen Erdwärme gründlich erforscht werden. Zwar weiß man, dass pro Tiefenkilometer die Gesteinstemperatur in Deutschland im Mittel um 30 Grad Celsius zunimmt. Weitgehend unbekannt ist aber ein anderer zentraler Kennwert, nämlich die Permeabilität (Durchlässigkeit) der Reservoire. Sie bestimmt die Zuflussrate des Energieträgers Wasser. Erdwärmelagerstätten mit niedrigem oder mittlerem Energieinhalt können nur dann für eine wirtschaftliche Stromerzeugung genutzt werden, wenn sich aus diesen Reservoiren große Mengen heißen Wassers fördern lassen. Dies setzt neben einer entsprechend hohen Temperatur auch eine genügend große Permeabilität des Gesteins voraus.

Hydraulischer Großversuch zur Gewinnung tiefer Erdwärme in Hannover

Hydraulischer Großversuch zur Gewinnung tiefer Erdwärme in Hannover (Foto: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover)

In den meisten Fällen entscheidet die tatsächlich nutzbare Permeabilität über den Erfolg oder Misserfolg von Geothermievorhaben. Der größte Teil der tiefen geothermischen Ressourcen in Deutschland ist derzeit nicht nutzbar, weil die Gesteine nicht ausreichend durchlässig sind. Die einzige erfolgversprechende Methode, um die natürliche Permeabilität zu verbessern, ist die hydraulische Stimulation (hydraulic fracturing). Diese Methode erzeugt künstlich großflächige Risse mit hoher Durchlässigkeit, durch die später Wasser fließen und sich erwärmen kann.

Permeabilität

Wissenschaftliche Herausforderungen

Hinsichtlich der hydraulischen Stimulation ist es nötig, die Bruchprozesse während der hydraulischen Stimulation zu analysieren und geeignete Berechnungsmethoden und Modelle zu entwickeln, mit denen sich die Rissausbreitung im Gestein beschreiben lässt. Es müssen Methoden entwickelt werden, um die Risse im tiefen Untergrund zu orten. Tests sind notwendig, in denen die hydraulische Stimulation mit unterschiedlichen Flüssigkeiten, zum Beispiel mit viskosen Gels durchgeführt wird. Auch chemische und explosive Stimulationsmethoden, die sich vorwiegend in der näheren Umgebung der Bohrung auswirken, sollten getestet werden.

Hydraulische Stimulation

Durch massive hydraulische Stimulationen erzeugte seismische Ereignisse

Anzahl seismischer Ereignisse (Farbskala), die durch massive hydraulische Stimulationen in den drei jeweils 5.000 Meter tiefen Bohrungen GPK2, GPK3, GPK4 des Europäischen Hot Dry Rock-Projekts in Soultz-sous-Forêts, Frankreich, erzeugt wurden. Die Verteilung gestattet es, Rückschlüsse auf die lokale Permeabilität und die Verbindung permeabler Bereiche untereinander zu ziehen, die durch die hydraulische Stimulation erzeugt wurden (Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover)

Mit derzeit verfügbaren geophysikalischen Methoden kann die Gesteinspermeabilität von der Oberfläche aus nur ungenau bestimmt werden. Auch die Verfahren der Mineralölindustrie stoßen hier an ihre Grenzen. Es müssen daher spezielle Verfahren ent­wickelt werden. Das Ziel besteht darin, geophysikalische Methoden wie Reflexionsseismik und Bohrlochmessungen mit theoretischen Methoden zu kombinieren.

Gebiete mit Aquiferen, die für hydrogeothermische Nutzung in Deutschland geeignet sein können

Gebiete mit Aquiferen, die für hydrogeothermische Nutzung in Deutschland geeignet sein können (farbkodierte Temperatur: rot: über 100 °C; gelb: über 60 °C). Für eine Stromerzeugung sind mindestens 100 °C erforderlich, für die direkte Wärmenutzung 60 °C (Quelle: Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG), Hannover, www.geotis.de)

Die technische Nutzung geothermischer Systeme beeinflusst die Strömungsverhältnisse, den Stofftransport und den Wärmetransport im Untergrund, sie kann Deformationsprozesse auslösen und chemische Reaktionen in Gang bringen. All diese Vorgänge, die sich gegenseitig beeinflussen können, sind bislang wenig erforscht. Zudem müssen Modelle entwickelt werden, mit denen sich eine effiziente Auslegung und ein optimaler Betrieb geothermischer Reservoire sicherstellen lassen. Diese Aufgabe stellt eine große Herausforderung dar, weil viele Eigenschaften des Untergrunds nur ungenau bekannt sind, wie zum Beispiel chemische Reaktionsparameter und gebirgsmechanische Größen.

Geothermische Reservoire

Risikoanalysen helfen dabei, ein umfassendes Bild möglicher Gefahren und Potenziale zu entwerfen. Numerische Systemsimulationen sind ein wichtiges Hilfsmittel für derartige Analysen. Sie sollten auf die Bedürfnisse der Erdwärmenutzung hin weiterentwickelt werden.

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:01 durch Jana Stone | Impressum