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Die Hälfte der kommunalen Wärme in Deutschland soll bis 2030 aus klimaneutralen Quellen kommen. Zu diesem Ziel der Bundesregierung kann die Tiefe Geothermie einen großen Beitrag leisten, weil sie beständig und witterungsunabhängig lokal Energie liefert und wenig Fläche in Siedlungen belegt. „Geothermie ist für eine Wärmewende unverzichtbar“, lautet ein Fazit. Armaturen besitzen eine wichtige Funktion für die Umsetzung der Geothermie.
Ein Beitrag von Michael Vehreschild.
Eine Roadmap von Einrichtungen der Helmholtz-Gemeinschaft, darunter das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), und der Fraunhofer-Gesellschaft zeigt, dass Tiefe Geothermie ein Marktpotenzial in Deutschland besitzt, das Ausbauziele von mehr als einem Viertel des jährlichen deutschen Wärmebedarfes (über 300 TWh) eröffnet.
„Um das Ausbauziel von mehr als 300 Terawattstunden erreichen zu können, brauchen wir Technologieentwicklung“, erklärt Prof. Thomas Kohl vom Institut für Angewandte Geowissenschaften des KIT. Er koordiniert das künftige Untertage-Forschungslabor GeoLaB, eine gemeinsame Initiative des KIT mit dem Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ). „Die Anwendung und Entwicklung modernster Monitoring- und Analysewerkzeuge im künftigen Untertage-Forschungslabor GeoLaB werden die Erkenntnisse liefern, die für eine sichere und ökologisch nachhaltige Nutzung der Geothermie und weiterer unterirdischer Ressourcen von großer Bedeutung sind“, erläutert Kohl.
Wärmepotenziale sind vorhanden
„Ohne Geothermie wird eine Dekarbonisierung des Wärmesektors in Deutschland nicht möglich sein. Die natürlichen Wärmepotenziale im Untergrund sind hierfür in den meisten urbanen Räumen vorhanden. Der nachhaltige Ausbau von Geothermie ist eine Investition in die Städte unserer Zukunft“, sagt Professor Ingo Sass, Leiter der Sektion „Geoenergie“ am GFZ.
Untertage-Forschungslabore wie das GeoLaB besitzen Sass zufolge eine zentrale Bedeutung, weil sie das grundlegende physikalisch-chemisch-biologische Verständnis für Standorte mit ähnlichen geologischen Eigenschaften beleuchten. Ingo Sass: „Wir setzen unsere Forschungsergebnisse in angewandten, industriellen und demonstrativen Vorhaben um und zeigen damit der Gesellschaft die sichere und großmaßstäbliche Anwendbarkeit geothermaler Energiebereitstellung.“
Speichertechnologie wird entwickelt
In weiten Gebieten Deutschlands gibt es im Untergrund lokale Wärmequellen und Speichermöglichkeiten. „Für den urbanen Raum müssen wir Bedarf und lokales Angebot abstimmen. Die benötigte Speichertechnologie entwickelt das KIT derzeit in seiner Helmholtz- Forschungsinfrastruktur DeepStor“, so Professorin Eva Schill vom Institut für Nukleare Entsorgung des KIT, die DeepStor leitet.
„Die Beiträge des UFZ konzentrieren sich insbesondere auf den Digitalisierungsprozess und geothermische Systemanalysen”, erläutert Professor Olaf Kolditz, der am UFZ das Department Umweltinformatik leitet. „Wir verfolgen unter anderem Konzepte der ‚Digitalen Zwillinge‘ und der Virtualisierung, um die natürlichen und technischen Systeme (Reallabore) so realistisch wie möglich digital nachzubilden. So können geothermische Systeme technisch optimiert, deren effiziente Einbindung in das gesamte Energiesystem simuliert und Umweltwirkungen langfristig abgeschätzt werden.”
Roadmap formuliert ein Bündel an Maßnahmen
Gemeinsam mit Kollegen des KIT und des UFZ sowie aus der Fraunhofer-Gesellschaft hat das GFZ die Roadmap erarbeitet. Der GFZ-Forscher Professor Ernst Huenges, Mitherausgeber neben Professor Rolf Bracke von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie (IEG), sagt: „Die Klimaneutralität des Wärmemarktes zu erreichen, ist eine riesige Herausforderung und erfordert ein ganzes Bündel an Maßnahmen. Die Marktakteure wie Energieversorger, Industrieunternehmen, Wohnungswirtschaft, Finanzwirtschaft, Politik, Verwaltung, Ausbilder und Kommunen brauchen neue Instrumente für diese komplexe Umsetzungsaufgabe.“
Die Roadmap identifiziert fünf Handlungsempfehlungen, um die Geothermie zeitnah für den Wärmemarkt in Deutschland auszubauen. Dazu gehören klar formulierte Ausbauziele und eine entsprechende Gesetzgebung. Benötigt würden ferner Finanzinstrumente zum interkommunalen Risikoausgleich – wie staatliche Versicherungen oder revolvierende Fonds, die sich an Projekten finanziell beteiligen. Außerdem müsste in Schlüsseltechnologien wie Bohrverfahren, Reservoirmanagement, Bohrlochwasserpumpen, Hochtemperatur-Wärmepumpen, Großwärmespeicher, transkommunale Verbundwärmenetze und sektorübergreifende Systemintegration investiert werden. Die Roadmap betont auch die Wichtigkeit der Aus- und Weiterbildung von Fachkräften. Schließlich sei ein Dialog mit Bürgern notwendig, um die benötigte gesellschaftliche Akzeptanz zu erzielen.
Technologie ist ausgereift
Der Wärmesektor macht 56 Prozent des nationalen Energiebedarfs aus. Lediglich 15 Prozent der Wärme sind regenerativ. Der Schwerpunkt liegt auf den hydrothermalen Reservoiren, also thermalwasserführenden Gesteinen in Tiefenlagen zwischen 400 Metern und 5.000 Metern. Geothermale Wässer können bei Temperaturen zwischen 15 und 180 Grad Celsius aus derart tiefen Brunnenbohrungen gefördert werden. Sie sind unabhängig von Jahres- und Tageszeiten verfügbar und lassen sich insbesondere für Nah-, und Fernwärme und sogar für Niedrigtemperaturprozesse in der Industrie nutzen. Die Technologie gilt als ausgereift und kommt seit Jahrzehnten in vielen europäischen Städten zur Anwendung, etwa in Paris und München.
Die hydrothermale Geothermie – kombiniert mit Großwärmepumpen – als Wärmequelle für Fernwärmenetze könnte nach den Abschätzungen der Roadmap rund ein Viertel des Gesamtwärmebedarfes Deutschlands decken, theoretisch rund 300 Terawattstunden Jahresarbeit bei 70 Gigawatt installierter Leistung. Zum Vergleich: 2020 lieferten bundesweit 42 Anlagen 359 Megawatt installierte Wärmeleistung und 45 Megawatt elektrische Leistung.
Armaturen sind für die Geothermie unverzichtbar
Armaturen, Pumpen, Wasserbehandlungsanlagen und Wärmetauscher sind für diese Energiegewinnung unverzichtbar. Die Armaturen müssen allerdings besonderen Bedingungen standhalten.
Beispiel Landauer Kraftwerk: Hier wird 160 Grad warmes Wasser gefördert. Außerdem ist das Wasser aus dem Oberrheinischen Tiefgraben sehr salzhaltig – dreimal stärker als es die Nordsee ist. Die Armaturen-Anforderungen sind damit größer als etwa bei den bayerischen Geothermie-Kraftwerken, die Wasser mit Trinkwasserqualität fördern. Landaus Anlage verwendet rund 120 Ventile und Armaturen. Wo Ventilsitze und Schieber korrosiven Kräften ausgesetzt sind, sind sie aus dem Edelstahl V4A bzw. 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2) gefertigt. Am Bohrlochkopf befinden sich Spatenschieber und Ventile, die vergleichbar sind mit denen, die in der Erdölindustrie verwendet werden.
Island ist der Spitzenreiter
Spitzenreiter bei der Pro-Kopf-Nutzung ist Island. Gemeinsam mit Wasserkraftanlagen decken etwa ein halbes Dutzend Erdwärme-Kraftwerke den gesamten Strombedarf der isländischen Bevölkerung ab. Weil die Geothermie aufgrund von Vulkanismus im Überfluss vorhanden ist, werden sogar einige Bürgersteige in Reykjavik im Winter beheizt. Das Geothermie-Musterland besitzt bei dieser Energiegewinnung eine lange Tradition: So wird im Kraftwerk von Svartsengi bereits seit rund 30 Jahren Strom aus Erdwärme gewonnen.
Wird Deutschland auch stärker in die Nutzung von Geothermie einsteigen? Das wird die Zukunft zeigen. Eine Roadmap entwickelt jedenfalls die Bedingungen, wodurch der Weg geebnet werden könnte. Die Armaturenbranche wäre jedenfalls schon bereit…
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