Tiefengeothermie für Düsseldorf

Tiefengeothermie für Düsseldorf

Großes Potenzial in einem klimafreundlichen Energie-Mix

Der Umbau des Stromsektors hin zu erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind wird schon längere Zeit vorangetrieben. Der Wärmesektor (Heizen) rückt erst jetzt vermehrt in den Blick der Öffentlichkeit. Dabei handelt es sich um einen Bereich, der für hohe Energieverbräuche verantwortlich ist: Privathaushalte setzten 2019 über 70 Prozent ihrer verbrauchten Gesamtenergie für Wärme ein und nutzten dafür hauptsächlich Erdgas (Quelle: Statistisches Bundesamt).

Fragen und Antworten

Wie können wir tiefe Geothermie nutzen?

Beim Gedanken an Geothermie kommen einem vielleicht als erstes heiße Quellen, Geysire auf Island oder Thermalbäder wie in Aachen in den Sinn. Und tatsächlich deckt Island 66 Prozent seines gesamten Energiebedarfes mit Geothermie.

In der Europäischen Union waren es 2017 hingegen nur 1,3 Prozent (Quelle: Quarks). Das heiße Wasser kommt tief aus dem Inneren der Erde. In 4.000 Metern Tiefe werden in der Regel über 100 °C erreicht. Wenn die notwendigen Leiter nicht auf natürliche Weise vorhanden sind, bedarf es einer tiefen Bohrung, über die das heiße Wasser gefördert und (ggf. über Wärmetauscher) ins Fernwärmenetz eingespeist wird.

Wo liegen die Vorteile?

Die klima- und umweltfreundliche Erdwärme ist rund um die Uhr verfügbar – bei jedem Wetter, das ganze Jahr über. Geothermie gilt als CO2-neutral und ist nach menschlichem Ermessen unerschöpflich. Außerdem stellt sich bei der Geothermie nicht die Frage nach einem Speichersystem, da sie im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energien wie Windkraft und Solarenergie wie oben beschrieben immer verfügbar ist. Das bringt viele Vorteile für Haushalte, Gewerbe und Industrie.

Da Tiefengeothermie-Kraftwerke nur wenig Fläche verbrauchen, sind sie in dichten Ballungsräumen wie Düsseldorf, in denen eine hohe Konkurrenz um Freiflächen besteht, von Vorteil.

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die Energie regional gewonnen und die Energieversorgung damit unabhängiger von Importen wird.

Gibt es Nachteile der Tiefengeothermie?

Die mehr als 40 Geothermieanlagen in Deutschland arbeiten sicher und zuverlässig. Zwar gab es in der Vergangenheit manchmal unerwünschte Auswirkungen geothermischer Vorhaben. Solche Auswirkungen sind aber mittlerweile technisch bewältigt und so gut wie ausgeschlossen.  

In der Niederrheinischen Bucht, wo große Teile Düsseldorfs liegen, gibt es im Schnitt einige Male pro Woche natürliche Erdbeben – nicht spürbar, aber messbar (Mikroerdbeben). Auch Menschen verursachen seismische Wellen (z.B. durch Sprengungen, Fahrzeugbewegungen). Diese sogenannte Induzierte Seismizität ist ebenfalls nicht oder kaum spürbar und kann nur mit hochempfindlichen Messinstrumenten nachgewiesen werden. Unter Umständen kann auch die hydrothermale Geothermie seismische Ereignisse auslösen, die jedoch nicht oder nur geringfügig bemerkbar sind. Die Seismische Überwachung vor und während des Betriebes geothermischer Anlagen ist Standard, um bei ersten Anzeichen Induzierter Seismizität die Betriebsabläufe des Geothermie-Kraftwerks anzupassen und damit weiteren seismischen Ereignissen vorzubeugen.

Das Grundwasser wird bei der Errichtung der Bohrlöcher durch dichte Verrohrungen gesichert. Die Bohrungen werden mehrfach verrohrt, damit die höher liegenden, zur Gewinnung von Trinkwasser genutzten Grundwasserstockwerke vor Verunreinigung durch heißes Tiefenwasser geschützt sind. Heißes Tiefenwasser kann Mineralien enthalten, die Rohrmaterialien angreifen und wird daher in getrennten Leitungen geführt.

Zu Beginn sind aufgrund tiefer Bohrungen relativ hohe Investitionskosten zu stemmen.

Warum in Düsseldorf?

Düsseldorf verfügt bereits über ein gut ausgebautes Fernwärmenetz, welches sich für die Nutzung hydrothermaler Tiefengeothermie sehr gut eignet. Der geringe Flächenverbrauch der Kraftwerke ist ein besonderer Vorteil für das dichte Ballungsgebiet Düsseldorf.

Die im Düsseldorfer Norden vermuteten tiefliegenden Riff- und Massenkalke als wichtige Reservoirgesteine sind Voraussetzung für die Nutzung der hydrothermalen Tiefengeothermie.

Machbarkeitsstudie Tiefengeothermie für Düsseldorf

Machbarkeitsstudie Tiefengeothermie für Düsseldorf

Um die Tiefengeothermie in Nordrhein-Westfalen zu fördern, hat die Landesregierung 2019 ein Förderprogramm ins Leben gerufen. Den Teilnahmewettbewerb für diese Fördermittel haben die Städte und Düsseldorf und Duisburg gemeinsam mit den jeweiligen Stadtwerken, der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie und der Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Energietechnik, gewonnen. Dieses Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, eine Machbarkeitsstudie zu erstellen, die das Potenzial der „Wärme aus Tiefengeothermie für die Fernwärme in Düsseldorf und in Duisburg“ aufzeigt.  

Die Machbarkeitsstudie soll alle vorhandenen Daten analysieren und ein geologisches Modell des Untergrundes mit dem möglichen Potential von thermalem Tiefenwasser erstellen. Dieses wird dann mit den bestehenden Infrastrukturen der beiden Kommunen verschnitten. Damit werden mögliche Lösungen aufgezeigt, Risiken identifiziert, Erfolgsaussichten abgeschätzt.

Eine eigene Website über dieses interkommunale Projekt ist in Vorbereitung und wird in den nächsten Wochen an den Start gehen.

Tiefengeothermie bildhaft erklärt

Tiefengeothermie bildhaft erklärt

Erdwärme © Enerchange

Erdwärme

Im Zentrum der Erde, im inneren Kern, herrschen Temperaturen über 5.000 °C. Die Temperatur nimmt von dort zur Erdoberfläche hin ab. Die Wärme im Erdinneren stammt aus der Entstehungszeit der Erde und aus natürlichen, radioaktiven Zerfallsprozessen. Erdwärme ist somit eine regenerative Energie; sie steht fast überall und jederzeit zur Verfügung.

Die Wärmezunahme zum Erdinneren hin beträgt im Mittel ca. 3 °C pro 100 Meter Tiefe. Geothermischer Tiefengradient nennen die Fachleute den Anstieg der Temperatur hin zum Erdkern und schon in 5.000 Meter Tiefe können etwa 160 °C erreicht werden. Je tiefer man in das Erdinnere vordringt, desto wärmer wird es. Mancherorts wird es schneller warm, denn die Erdwärme ist nicht gleichmäßig verteilt.

Da die Erdkruste in unserer Region bis in Tiefen von 35 km tief reicht, sind alle tiefen menschlichen Nutzungen (Bergbau, Bohrungen etc.) auf die Erdkruste beschränkt und dringen nicht in den Erdmantel ein.

Grafik Deutschlandkarten in zwei Abbildungen
Temperatur in Deutschland in 1 und 3 km Tiefe auf Basis von Bohrdaten © Agemar, LIAG

Geothermische Quellen

Noch fehlt geologisches Detailwissen, aber bekannt ist bereits, dass nicht alle Regionen Deutschlands gleichermaßen gut für die geothermische Nutzung geeignet sind. Gute Vorrausetzungen finden sich:

  • im Süddeutschen Molassebecken (Alpenvorland)
  • im Oberrheingraben (Karlsruhe/Landau bis Taunus)
  • im Norddeutschen Raum (bis an Nordsee und Ostsee heran) und
  • bei uns, in der Rhein-Ruhr-Region im Westen Deutschlands.
Mitteldevonischer Massenkalk (ehemaliges Riff). Quelle: Privataufnahme Jonas Schweitzer
Mitteldevonischer Massenkalk (ehemaliges Riff), Privataufnahme Jonas Schweitzer

Tief unter Düsseldorf...

...liegen Kalksteine, wichtige Reservoirgesteine für die hydrothermale Tiefengeothermie. Diese Gesteine sind sehr alt. Sie stammen nämlich aus dem prähistorischen Erdzeitalter des Devons. Diese Massenkalke, auch Riffkalke genannt, sind vor über 360 Millionen Jahren entstanden. Damals gab es hier Ausläufer eines warmen Meeres und es entwickelten sich riesige Riffe.

Grafik geologischer Aufbau Untergrund
Die Abbildung zeigt den angenommen geologischen Aufbau des Untergrundes und die vermutete Tiefenlage des devonischen Massenkalkes als Zielhorizont zur hydrothermalen Nutzung. © Geologischer Dienst NRW

Über diesen Gesteinen wurden dann in den letzten ca. 60 Mio. Jahren – der Erdneuzeit, im sogenannten Tertiär und Quartär, Sand, Kies und Ton abgelagert. Die Schichten sind unterschiedlich dick; der Geologe spricht hier von Mächtigkeit.

Das Bild der Bilstein-Höhle im Sauerland weiter unten zeigt, wie der Kalkstein tief unter Düsseldorf aussehen könnte. Durch kleine aber auch größere Spalten und Röhren fließt das Wasser wie in einer Art Wasserleitungssystem.

Verkarsteter Kalkstein; Bilsteinhöhle. Quelle: Privataufnahme Beate Matheus
Verkarsteter Kalkstein. Aufnahme aus der Bilsteinhöhle im sauerländischen Warstein, Privataufnahme Beate Matheus

Das Ziel: Massenkalke

Tropfsteinhöhlen bilden sich nur in Kalksteinen. Kalksteine bestehen meist aus prähistorischen Korallen, Muscheln und Schnecken, die in der Urzeit ein Riff bildeten.

Weil Kalkstein wasserlöslich ist, bilden sich nah der Oberfläche durch versickerndes Regenwasser Hohlräume – das Gestein verkarstet. In größerer Tiefe passiert eigentlich das Gleiche, nur verbleibt das Wasser dort in den Hohlräumen und kann darin auch fließen, ein sogenannter Karstgrundwasserleiter entsteht. Befindet dieser sich in großer Tiefe ist er als hydrothermales Reservoir gut geeignet, da das hochtemperierte Tiefenwasser unkompliziert gefördert werden kann.

Geothermische Systeme zur Speicherung und Bereitstellung von Wärme sowie Kälte und Strom. © Fraunhofer Institut IEG

Hydrothermal/petrothermal – Systeme und Technik

Hydrothermale Systeme nutzen natürlich vorhandenes Thermalwasser von 40 °C bis weit über 100 °C, das beispielsweise in verkarsteten Karbonatgesteinen vorhanden ist. Es sind mindestens zwei Bohrungen erforderlich. In der Förderbohrung wird das heiße Wasser an die Erdoberfläche gepumpt. Dort wird ihm über Wärmetauscher die Wärme entzogen. Das abgekühlte Wasser wird dann über die Injektionsbohrung zurückgeführt. So bleiben die Tiefenwässer in einem geschlossenen System und kommen nicht in Kontakt mit dem Grundwasser der oberen Aquifere, welches für die Trinkwassergewinnung genutzt werden kann.

Hydrothermale Systeme sind Stand der Technik und kommen in München, Paris und vielen anderen Standorten weltweit zum Einsatz.

Petrothermale Systeme nutzen die in „trockenen“ Gesteinen gespeicherte Wärme. Bei den offenen Systemen wird innerhalb der heißen Gesteine die Wasserwegsamkeit künstlich erhöht. Unter hohem Druck wird Wasser mittels einer Bohrung eingepresst. Dadurch bilden sich Risse und Spalten im Gestein, durch die dann das eingeleitete kalte Wasser fließen und sich erwärmen kann.

Grafik Deutschlandkarte Eignungsgebiete in Deutschland
Eignungsgebiete in Deutschland © Bundesverband Geothermie

Standorte in Deutschland

Die Tiefe Geothermie wird deutschlandweit bereits vielfach genutzt. Insbesondere in den geothermisch gut geeigneten Gebieten wie im süddeutschen Mollassebecken, im norddeutschen Becken, im Oberrheintalgraben und in Nordrhein-Westfalen – hier vor allem im Aachener Raum und in der Rhein-Ruhr-Region – sind zahlreiche Geothermie-Anlagen vorhanden.

Nebenstehende Grafik in lesbarer Größe