Direkt zum Inhalt
 

Es gibt Bohrungen, die Thermalwasser für den Bäderbetrieb fördern (z.B. Bad Füssing, Bad Wörishofen). Um als Heilwasser anerkannt zu werden, müssen gewisse Kriterien in der chemischen Beschaffenheit und /oder der Wassertemperatur gegeben sein. Bei den auf die energetische Nutzung ausgerichteten Geothermieprojekten gibt das Thermalwasser in der Heizzentrale über Wärmetauscher einen Teil seiner Wärme an das Wasser ab, das dann durch das Fernwärmenetz zirkuliert. Das so genutzte Thermalwasser verweilt also nur recht kurz an der Erdoberfläche. Ein direkter Kontakt mit dem Thermalwasser in Form eines Bades findet hier also nicht statt.

Im bayerischen Alpenvorland sind schon einige hundert Tiefbohrungen für Öl, Gas und Geothermie niedergebracht worden. Die tiefste Bohrung (Vorderriß 1) erreicht eine Bohrtiefe von 6.468 m. Mit Bohrtiefen > 5.500 m wurden in Sauerlach die bislang tiefsten bayerischen Geothermiebohrungen abgeteuft. Die Prozeduren zu Sicherheit, Umweltschutz und Emissions-Vermeidung müssen von den Bohrfirmen eingehalten werden. Dies wird vom Bergamt Südbayern streng kontrolliert.

Die Bohrdurchmesser nehmen zur Tiefe stufenweise immer weiter ab. Typische Enddurchmesser in der Tiefe sind 8.1/2“ (21,6 cm) und 6.1/8“ (15,5 cm). Der Anfangsdurchmesser beträgt beispielsweise 23“ (58,4 cm). Geothermiebohrungen haben deutlich größere Enddurchmesser im Vergleich zu Gas- oder Ölbohrungen.

Moderne Bohranlagen arbeiten sehr leise. In einigen hundert Metern Entfernung ist die Bohrtätigkeit in der Regel nicht mehr hörbar. Laute Geräusche können beispielweise beim Handtieren mit dem Bohrgestänge entstehen. Je nach Abstand zur Wohnbebauung kann eine geräuschdämmende Maßnahme erforderlich werden, wie zum Beispiel die Errichtung einer Schallschutzwand. Die Grenzwerte der TA-Lärm müssen eingehalten werden.

Bei einer Tiefbohrung, sei es bei einer Bohrung nach Öl, Gas oder auch nach geothermischen Energiequellen, werden von den zuständigen bayerischen Bergbaubehörden äußerst strenge Sicherheits- und Umweltauflagen eingefordert und auch kontrolliert. Über ein Betriebsplanverfahren werden alle erforderlichen sicherheitstechnischen, naturschutzfachlichen und wasserwirtschaftlichen Fragestellungen geprüft. So muss eine Bohrstelle (ähnlich wie eine Tankstelle) durch bauliche Maßnahmen so abgesichert werden, dass weder Wasser, Öl, noch andere Stoffe in das Grundwasser oder in die Umgebung gelangen. Dazu wird für den Bohrplatz (innerer Bereich) meist ein komplettes Ablaufsystem mit Auffangbecken und Abscheidern installiert. Entstehende Abwässer und Bohrklein werden regelmäßig auf die Zusammensetzung geprüft und über Entsorgungsunternehmen den Umweltauflagen entsprechend entsorgt. Die Bohrungen selber werden durch spezielle Schließsysteme (Blowout-Preventer) gesichert. Vor Beginn der eigentlichen Tiefbohrung wird ein mehrere Zehner Meter langes Stahlrohr in den Boden eingebracht, das das oberflächennahe Grundwasser von der Bohrung trennt. Nach Beendigung der Bohrarbeiten muss der Bohrplatz renaturiert werden. Entsteht dort ein Heizwerk oder Kraftwerk, so müssen Ausgleichsflächen bereitgestellt werden.

 

Sehr viel Thermalwasser befindet sich im Süden Bayerns im sogenannten Malm (einer wasserleitenden Kalkstein-Schicht). Die aus Jurakalken bestehende Schicht ist eine sehr feste und harte Gesteinsschicht, welche von Klüften, Poren und Rissen durchzogen ist, durch die das Wasser fließen kann. Man kann sich das vorstellen wie eine Kiste, in die man Ziegel lose einschichtet und mit Sand zuschüttet: In diese Kiste kann man noch viel Wasser hineinschütten bis alle Zwischenräume und Poren gefüllt sind. Dieses, in den Holräumen auftretende Wasser wird für die Förderung der im Gestein gespeicherten Erdwärme genutzt. Die Bohrungen werden auf einer Länge von mehreren hundert Metern schräg durch die wasserhaltige Schicht geführt und mit einem gelochten Stahlrohr gesichert. Damit lässt sich über eine lange Strecke Wasser aus den Zwischenräumen und Poren in das Bohrloch aufnehmen bzw. wieder in dieses abgeben. Das Wasser in den Zwischenräumen bewegt sich im natürlichen Rahmen extrem langsam. Entnommenes Wasser, z.B. wie bei einer Thermalbadnutzung in Bad Wörishofen, wird durch nachfließendes Wassers aus diesen Gebieten ersetzt. In anderen Fällen wird das entnommene Wasser über die Reinjektionsbohrungen wieder in den Tiefengrundwasserleiter verbracht, um einen ausgeglichenen Wasserhaushalt zu gewährleisten. Das heißt, es entstehen keine Hohlräume. Dadurch bleibt die Wassermenge in der Erde immer erhalten, vergleichbar mit einem Strohhalm, mit dem man Wasser aus dem einen Ende der Badewanne heraussaugt und an einer anderen Stelle wieder hinzu gibt. Im Durchschnitt besteht nur 2 % - 3 % des Malm-Gesteins aus diesen mit Wasser gefüllten Rissen und Poren.

Das abgekühlte Thermalwasser wird über eine Reinjektionsbohrung wieder in den tief liegenden Malm-Grundwasserleiter zurückgeführt. Dabei sind die Bohrungen mit einzementierten Stahlrohren ausgekleidet, nur im Zielhorizont haben diese Stahlrohre Löcher oder das Bohrloch bleibt dort unverrohrt. Sollte das Wasser nicht vollständig von alleine versickern, kann mit einer Pumpe der Injektionsdruck leicht erhöht werden.

Wie jedes Grundwasser, enthält auch das Thermalwasser gelöste Mineralien (vor allem Salz und Kalk) und gelöste Gase (vor allem CO2, manchmal auch geringe Anteile an Methan oder H2S). Sollten Spuren umweltrelevanter Begleitstoffe im Thermalwasser vorhanden sein, so können diese Stoffe nicht entweichen, da das Thermalwasser während des Betriebs in einem geschlossenen Kreislauf fließt. Sie werden wieder in den Untergrund verbracht und, da die Bohrung bis zum Thermalgrundwasserleiter komplett mit Stahlrohren ausgekleidet ist, wird auch das oberflächennahe Grundwasser nicht berührt. Lediglich beim Pumpversuch zum Testen der Bohrung entweicht kurzzeitig Dampf in die Atmosphäre. Aber auch diese Dampfschwaden, deren Zusammensetzung ständig überwacht wird, sind in der Regel unbedenklich.

Sowohl bei der reinen Nutzung der Erdwärme zur Stromproduktion als auch zur direkten Beheizung wird das genutzte Thermalwasser, das während der Nutzung abkühlt über die Reinjektionsbohrung wieder in die Erde zurückgeführt. Um den Grundwasserhaushalt nicht aus dem Gleichgewicht zu bringen, wird das Wasser in dieselbe wasserführende Gesteinsschicht eingelassen, aus der es entnommen wurde.

Je nach geologischen Rahmenbedingungen, gibt es Regionen, in denen von Natur aus erhöhte Konzentrationen radioaktiver Elemente im Boden oder Gestein vorhanden sind. Bei entsprechendem Wasserchemismus können sich diese Anteile dann aus dem Gestein lösen und ins Grundwasser bzw. Thermalwasser gelangen. Bilden sich an den Leitungsrohren an der Trinkwasserfassung bzw. am Geothermiekraftwerk Mineralausfällungen, so können sich dort evtl. diese Stoffe weiter aufkonzentrieren. Erhöhte geogene Konzentrationen radiogener Stoffe treten beispielsweise in den Keuper-Sandsteinen in Franken oder auch im Granit des Bayerischen Walds in Erscheinung. Die Malm-Karbonate im bayerischen Molassebecken und auch das dort vorhandene Thermalwasser zeigen dagegen keinerlei Hinweise auf erhöhte Konzentrationen radioaktiver Substanzen.

So wie es Landkarten für die Erdoberfläche gibt, auf denen Berge, Flüsse und Wälder verzeichnet sind, so gibt es auch Karten und dreidimensionale Modelle für das Erdinnere. Für die Erstellung solcher Modelle werden Informationen aus verschiedenen Quellen zusammengetragen: Erstens aus der Beschaffenheit und Anordnung der Gesteine an der Erdoberfläche in Kombination mit der Kenntnis über den Verlauf der regionalen Erdgeschichte. Zweitens gibt es weltweit Tausende von Tiefbohrungen (Forschungsbohrungen, Bohrungen nach Wasser, Öl oder Gas usw.), allein in Südbayern mehrere Hundert, die den geologischen Aufbau detailliert wiedergeben. Und drittens kann man anhand verschiedener Messmethoden auch von der Erdoberfläche aus ein recht genaues Bild vom Erdinneren verschaffen. Im Molassebecken wird dazu vorwiegend Seismik angewendet. So weiß man bereits vor Bohrbeginn recht gut, wie der Untergrund bis in mehrere Kilometer Tiefe aufgebaut ist, welche Temperaturen im Untergrund herrschen und wo die Wahrscheinlichkeit, auf ausreichend Thermalwasser zu stoßen, sehr hoch ist.

Die Wärme (oder besser gesagt Hitze) im Erdinnern stammt im Wesentlichen aus natürlichen radioaktiven Zerfallsprozessen der im Erdmantel und der Erdkruste vorhandenen Elemente (z.B. Uran, Thorium, 40Kalium) sowie aus der verbliebenen Restwärme aus der Erdentstehungszeit (Gravitationsenergie). Für die oberflächennahe Geothermie spielt zudem der Temperatureintrag beispielsweise über das Regenwasser eine bedeutende Rolle. Generell findet ein ständiger Wärmefluss vom heißen Erdinneren zur kühlen Atmosphäre bzw. zum kalten Weltall hin statt. Dieser Prozess findet weltweit flächendeckend in Form eines kontinuierlichen Wärmeflusses statt (in Südbayern ca. 60 – 90 mW/m²) . Die Geothermie kanalisiert und nutzt diesen Wärmestrom, der früher oder später so oder so ins Weltall abgestrahlt wird. Dies unterscheidet die Geothermie grundlegend von der Nutzung fossiler Energieträgern. Daher ist die Geothermie definitiv regenerativ. 99 % der Erdmasse weist eine Temperatur von weit über 1000 °C auf und von dem restlichen Prozent sind immer noch 90 % weit über 100 °C heiß. Nicht nur das geförderte Thermalwasser hat die Wärme gespeichert, sondern vor allem auch das gesamte Gestein durch das sich das Wasser hindurchbewegt. Das Wasser dient bei der geothermischen Nutzung lediglich als Wärme-Transportmedium, mit dem die hohen Temperaturen nach oben gebracht werden. Wenn vom vorhandenen Heißwasser etwas Energie entnommen wird, es für Fernwärme und Stromgewinnung genutzt und dann wieder mit verringerter Temperatur ins Erdreich zurückleitet wird, dann heizt sich dieses Wasser langsam wieder auf die ursprüngliche Temperatur auf. Um die sogenannte Reinjektionsbohrung herum entsteht dabei zunächst ein abgekühlter Bereich, dessen Ausdehnung sich durch Computersimulationen vorhersagen lässt. Die Rückführtemperatur richtet sich dabei nach den obertägigen Nutzungsformen. Während das Wasser in Hochenergiefeldern mit teilweise bis zu 170 °C reinjeziert wird, existieren auch direkte Nutzungsarten (Gewächshäuser, Fischzucht, Eisfreihaltung von Fahrbahnen, usw.), bei denen das reinjezierte Wasser eine Temperatur von ca. 10 °C oder weniger aufweist. Den thermisch beeinflussten Reinjektionsbereich im Reservoir kann man sich als Kugel oder Zylinderkörper um die Reinjektionsbohrung herum vorstellen. Im Kernbereich werden die kühlsten Temperaturen erreicht. Nach außen hin wird diese Temperaturerniedrigung immer geringer. Je größer der Abkühlungskörper wird, umso größer wird gleichzeitig die Oberfläche, an der das Wasser beim Durchströmen der Poren und Klüfte durch die Gesteinsmatrix wieder erwärmt wird.

Da für einen wirtschaftlichen Betrieb der Abstand zwischen Förder- zur Reinjektionsbohrung nicht zu groß sein sollte (möglichst geringe Thermalwassertrassenlänge an der Erdoberfläche), ist denkbar, dass im späteren Verlauf der Betriebsphase die Abkühlungsfront irgendwann an der Förderbohrung beobachtet werden könnte. Man spricht dann von einem sog. „thermischen Durchbruch“. Neben dem Abstand zwischen Förder- und Reinjektionsbohrung, der Föderrate und der Injektionstemperatur ist auch die bevorzugte Fließrichtung (und somit die geologischen Verhältnisse, z.B. der Verlauf von Störungs- bzw. Verkarstungszonen und von Faziesgrenzen) für die Ausbreitung der Abkühlungsfront entscheidend. Durch numerische Modellierungen und Simulationen lassen sich Prognosen hinsichtlich der thermischen und hydraulischen Betriebsbedingungen erstellen, die dann durch die Auswertung von Pumpversuchen und der Betriebsdaten immer wieder neu kalibriert werden. Die anhand von Simulationen errechneten Vorhersagen bestätigen das Bestehen der Wärmequelle über einen langen Zeitraum hinweg. Allein die in der ca. 500 - 600 m dicken Gesteinsschicht des Malm gespeicherte Energie ist gigantisch. Im Fall, dass aufgrund von ungünstigen hydraulischen Bedingungen während des Betriebs ein thermischer Durchbruch beobachtet werden sollte, so fällt die Temperatur dann nicht schlagartig auf die Reinjektionstemperatur ab. Vielmehr geht der Abfall der Temperatur sehr langsam von statten (Zehntel-Grad!). Im Großraum Paris sind einige geothermische Dubletten seit den 1970er Jahren im Einsatz. Ein thermischer Durchbruch wurde bislang noch nicht beobachtet, obwohl der Abstand zwischen Förder- und Reinjektionsbohrung häufig weniger als 1 km beträgt. Derzeit werden im Großraum Paris zahlreiche neue geothermische Projekte geplant und auch gebaut (z.B. Flughafen Paris-Orly). Man kann die Nutzung der Geothermie in gewisser Weise mit der Nutzung von Biomasse vergleichen. Auch hier ist für die Regeneration der Ressource, je nach gewähltem Maßstab, ein gewisser Zeitraum notwendig. Gleiches gilt für die Wärme um den Reinjektionsbereich einer geothermischen Anlage. Der „Rohstoff Wärme“ wird zwar zunächst genutzt und ggf. im lokalen Maßstab zunächst auch schneller „abgebaut“ als er um die Reinjektionsbohrung natürlich nachgeliefert wird, er regeneriert sich im Gegensatz zu fossilen Energieträgern aber auch wieder innerhalb von Zeiträumen, die nach menschlichen Zeitmaßstäben überschaubar sind. Nach Beendigung einer geothermischen Nutzung erfolgt eine thermische Regenerierung des abgekühlten Reservoirbereichs um die Reinjektionsbohrung. Zunächst verläuft die thermische Regeneration recht rasch, da der Wärmefluss sich verstärkt zur Wärmesenke (Kältepol) hin ausrichtet (diese Regeneration erfolgt dabei von allen Seiten, also nicht nur von „unten“). Da beispielsweise der Malm zudem als hydraulisch aktiver Aquifer in Erscheinung tritt, kann auch bis zu einem gewissen Grad ein konvektiv gesteuerter Temperaturausgleich stattfinden. Die Temperaturregeneration um den Reinjektionsbereich erfolgt bei rein konduktiver Betrachtungsweise, asymptotisch, d.h. zu Beginn, bei einer großen thermischen Differenz, erfolgt die Temperaturzunahme recht schnell. Je geringer der Unterschied zwischen dem abgekühlten Bereich und der Ausgangswärme der Umgebung ist, desto langsamer verläuft der Temperaturanstieg. Die Nutzungsdauer einer Geothermieanlage im Molassebecken richtet sich demnach vielmehr nach der Lebensdauer der technischen Einrichtungen (Kraftwerk, Rohre, Fernwärmenetz).

Vor allem an den Rändern der großen tektonischen Platten wird die Erdwärme aufgrund einer dort meist dünnen Erdkruste oder über magmatische Prozesse in konzentrierter Form nach Außen abgegeben. Der Wärmefluss liegt in diesen Regionen um ein Vielfaches über dem weltweiten Durchschnitt. Dort wird die Erdwärme auch mit verhältnismäßig geringem Aufwand und im großen Stil seit langem nutzbar gemacht (Indonesien, Philippinen, Island, Italien, USA, Neuseeland, Mittelamerika, China, etc.). In Deutschland (auch in Südbayern) herrschen, mit Ausnahme des Oberrheingrabens und ehemals vulkanisch aktiver Regionen (Urach), in Bezug auf den Wärmefluss insgesamt durchschnittliche Verhältnisse. Durch die große Bevölkerungsdichte und den damit einhergehenden großen Energiebedarf Deutschlands, macht aber auch hierzulande die Nutzung der Geothermie Sinn, zumal die Energieerzeung und Energieverbraucher im Gegensatz zu dünn besiedelten Regionen räumlich eng zusammengebracht werden können. Um die Erdwärme auch hier in Deutschland technisch nutzbar zu machen gibt es zwei prinzipielle Möglichkeiten: 1. das niedrige Temperaturniveau wird mittels Wärmepumpe auf ein nutzbares Niveau angehoben (erfordert zusätzlichen Einsatz von Antriebsenergie für den Kompressor) --> Oberflächennahe Geothermie. 2. über große Bohrtiefen wird das erforderliche, hohe Temperaturniveau erreicht --> Tiefengeothermie. Die hohe Temperatur alleine reicht jedoch noch nicht aus. Man benötigt für die Nutzung der Erdwärme ein „Transportmittel“, das diese aus der Tiefe nach oben befördert. Im Idealfall treten im tieferen Untergrund thermalwasserführende Schichten in Erscheinung, wobei die Wärme einerseits im Wasser selber als auch im umgebenden Gestein (zwischen-)gespeichert ist. Diese Situation ist im südlichen Alpenvorland gegeben. Als Thermalwasserhorizont treten dabei die Kalksteine aus der Zeit des Oberjura (Malm) in Erscheinung. In den Klüften und Poren im Kalkstein kann das Thermalwasser zirkulieren. Allein die in diesen Gesteinschichten bereits gespeicherte Energie ist gigantisch. Hinzu kommt der regenerativ stattfindende Wärmenachschub aus dem Erdinnern, der kontinuierlich den Wärmespeicher wieder befüllt.

Geothermie ist wetter- sowie jahres- und tageszeitunabhängig. Geothermie ist also grundlastfähig. Windräder arbeiten nur bei genug Wind, Wasserkraftwerke benötigen ausreichende Wasservorräte. Photovoltaikanlagen arbeiten zwar das ganze Jahr über, leisten aber in den Wintermonaten deutlich weniger. Bioenergien, wie Holz, Pflanzenöl und Biogas sind über das ganze Jahr verfügbar, haben aber einen großen Platzbedarf und der Anbau steht mittlerweile in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion. Photovoltaik-, Wind- und Wasserkraftwerkanlagen können nur Strom erzeugen, Solarkollektoren und oberflächennahe Geothermie nur Wärme zur Verfügung stellen. Tiefe Geothermie und Bioenergien können dagegen beides erzeugen. Der Flächenbedarf eines Geothermiekaftwerks ist im Verhältnis zu anderen regenerativen Energieerzeugungen sehr gering. Den hohen Investitionskosten stehen die geringen Betriebskosten und der frei zur Verfügung stehende Rohstoff Thermalwasser gegenüber. Bei der Geothermie entstehen, im Gegensatz zur Solar- oder Windkraft, keine weiteren Kosten für notwendige Speicherkapazitäten. Geothermie kann also auch in Deutschland seinen Anteil am Mix der regenerativen Energien für die Bereitstellung von Wärme und auch Strom beitragen.

 

Newsletter abonnieren

Mit Eingabe Ihrer Mail-Adresse bestätigen Sie, unsere Datenschutzbestimmungen gelesen und akzeptiert zu haben.
Die E-Mail Adresse, die den Newsletter erhalten soll.

© 2018 Erdwerk GmbH.