Tiefe Geothermie

Geothermie

Thermalwasser kann grundsätzlich zur Wärmeversorgung und bei Temperaturen über
100 °C auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Diese Nutzung ist eine gute Alternative zur Wärmeerzeugung mit fossilen Brennstoffen und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Minderung des CO2-Eintrags in die Atmosphäre. Darüber hinaus wird sie angesichts steigender Öl- und Gaspreise und trotz relativ hoher anfänglicher Investitionskosten betriebswirtschaftlich immer interessanter. Im Falle der geothermischen Stromerzeugung bietet das "Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)", das eine Einspeisevergütung von
0,15 €/kWh über eine Laufzeit von 20 Jahren garantiert, den entscheidenden wirtschaftlichen Anreiz.

Neben der Wirtschaftlichkeit stellen die saisonale und meteorologische Unabhängigkeit und damit die Versorgungssicherheit im Vergleich zu anderen regenerierbaren Energieformen einen großen Vorteil der geothermischen Nutzung dar.

Trotz der genannten Vorteile einer Thermalwassernutzung für thermische Zwecke kann der damit verbundene Eingriff in den Untergrund jedoch auch nachteilige Auswirkungen auf das Grundwasser haben.

Um eine quantitative Beeinflussung des Thermalgrundwasserleiters - in Bayern ist dies vorrangig der Malmkarst des süddeutschen Molassebeckens - auszuschließen erfolgt die Nutzung des Wassers über so genannte Dubletten. Dies bedeutet, dass das über eine bis zu 6.000 m tiefe Förderbohrung gewonnene Wasser thermisch genutzt und dann - bis auf seine Temperatur in seiner Beschaffenheit unverändert - über eine Reinjektionsbohrung vollständig wieder in den selben Grundwasserleiter verpresst wird.

Schematische Darstellung eines Schnittes durch eine geothermische Dublette, mit Darstellung der Förder- und der Reinjektionsbohrung. Vor der Rückleitung des Thermalwassers in den Untergrund wird die Wärme über Wärmetauscher einem Heizsystem zugeführt. Bild vergrößern Schema einer geothermischen Dublette

Um einen thermischen oder hydraulischen Kurzschluss zwischen Entnahme und Reinjektionsbohrung möglichst langfristig auszuschließen, müssen deren Endpunkte einen gewissen Mindestabstand einhalten. In der Praxis werden ca. 2 km als ausreichend erachtet. In Abhängigkeit von der jeweils erschlossenen Thermalwassertemperatur, der Entnahme- bzw. Reinjektionsrate und der Wiedereinleittemperatur sowie an Hand der Bohr- und Pumpversuchsergebnisse lässt sich durch lokale numerische Simulationsberechnungen der Zeitraum eingrenzen, in dem die Dublette ohne nachteilige Beeinflussung untereinander, genutzt werden kann. Nach bisherigem Kenntnisstand sind dies 50 Jahre und mehr. Mit diesen Berechnungen lassen sich zu dem der Einflussbereich der geothermischen Nutzung sowie mögliche Auswirkungen auf benachbarte Thermalwassernutzungen ermitteln.

Um durch Bau und Betrieb von Geothermieanlagen Beeinflussungen von öffentlichen Trinkwasserversorgungen auszuschließen, die z.B. durch das Durchbohren verschiedener Grundwasserstockwerke entstehen können, dürfen in Trinkwasserschutzgebiete grundsätzlich keine Thermalwasserbohrungen niedergebracht werden.

Qualitative Gefährdungen die sich für den thermalen Grundwasserleiter insbesondere im Hinblick auf den Einsatz von wassergefährdenden Stoffen ergeben können, z.B. durch mögliche Leckagen von notwendigen Wärmetauschersystemen, müssen im Sinne des allgemeinen Gewässerschutzes besonders berücksichtigt und weitestgehend ausgeräumt werden. Um dieser Forderung bestmöglich nachzukommen ist es sinnvoll, dass der Antragsteller bzw. sein Planer, die für den Grundwasserleiter kritischen Anlagenteile und die hierfür vorgesehenen Sicherheitsmaßnahmen frühzeitig mit dem jeweils regional zuständigen Wasserwirtschaftsamt abstimmt.

Bis heute wurden in Bayern bereits mehrere Geothermieanlagen errichtet und in Betrieb genommen. Hierzu zählen z.B. die Anlagen in Erding, Straubing, Simbach-Braunau, Unterschleißheim, Riem und Pullach. Hierbei handelt es sich ausschließlich um Anlagen zur Wärmeversorgung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine Thermalwassernutzung zur Wärmeversorgung bereits ab einer Wassertemperatur von ca. 30°C und damit bei relativ geringen Bohrtiefen möglich ist. Eine geothermische Stromerzeugungsanlage benötigt dagegen Temperaturen von mindestens 100°C und damit große Bohrtiefen, wodurch sich die Aufsuchungskosten und das Fündigkeitsrisiko erheblich erhöhen.

Bei der Nutzung des Thermalwassers zum Zwecke der Verstromung können zwei verschiedene Anlagentypen zum Einsatz kommen. Bei beiden Typen wird als Mittel zum Turbinenantrieb ein weit unter 100 ° C siedendes Arbeitsmittel verwendet. Bei der Organic Rankine Cycle - Anlage (ORC-Anlage) kommt ein organisches Arbeitsmittel wie z.B.
n-Pentan, bei der Kalina-Anlage ein Zwei-Stoff-Gemisch aus Ammoniak und Wasser zum Einsatz. ORC-Anlagen haben bei Thermalwassertemperaturen von über 100 °C einen Nettowirkungsgrad von nur < 10%, Kalina Anlagen bringen es auf ca. 13%. Der Vorteil der ORC-Anlagen liegt in ihrer mehrfachen Erprobung und ihrem relativ günstigen Preis. Zu den weltweit erst in zwei Fällen realisierten Kalina-Anlagen gibt es wesentlich geringere Erfahrungen. Sie erfordern wesentlich hochwertigere Materialen und sind deshalb in der Herstellung etwa doppelt so teuer wie ORC-Anlagen.

Ein Problempunkt bei geothermischen Verstromungsanlagen ist aus wasserwirtschaftlicher Sicht der damit verbundene große Kühlwasserbedarf. In vielen Fällen fehlen leistungsfähige Oberflächengewässer, weshalb die Kühlung vorzugsweise über Verdunstungskühlanlagen unter Einsatz oberflächennahen Grundwassers vorgesehen ist. Bei dem Kühlprozess verdampfen etwa 80% des Kühlwassers. Der verbleibende Rest kann in die Kanalisation abgeleitet werden. Da dies oft teuer oder örtlich nicht möglich ist, wird jedoch häufig die Wiedereinleitung des Restwassers in den Grundwasserleiter beabsichtigt. Hierbei kommt es durch den Verdunstungsprozess neben einer quantitativen auch zu einer qualitativen Beeinflussung des Grundwasservorkommens, da das verbleibende Kühlwasser um das vierfache aufmineralisiert ist.

Bei oben genanntem Kühlsystem werden häufig Verfahren zur Härtestabilisierung bzw. der der Einsatz von Korrosionsinhibitoren vorgesehen. Im Hinblick auf den Grundwasserschutz dürfen hierzu nur nachweislich gewässerverträgliche Mittel eingesetzt werden. Ist dies nicht möglich müssen dafür aufwändige technische Verfahren, z.B. Umkehrosmose oder Ionenaustauscher, vor der Verwendung als Kühlwasser angewendet und entsprechende Aufbereitungsmaßnahmen in Hinblick auf Korrosionsinhibitoren vor einer Versickerung angeordnet werden.