Wärme aus der Tiefe

„Erdwärme ist ein Bodenschatz, der den Wärmebedarf Deutschlands nahezu vollständig decken könnte“, rechnet der heute 80-jährige Geothermie-Pionier Erwin Knapek vor. Ausgenommen seien lediglich Hochtemperaturprozesse in der Stahl-, Chemie- und Zementindustrie. Der promovierte Physiker, der als treibende Kraft hinter dem Geothermie-Heizkraftwerk in Unterhaching agierte und nach seiner kommunalpolitischen Karriere etliche Jahre lang den Bundesverband Geothermie führte, kämpft bis heute für den Durchbruch der Energie aus dem Erdinneren: „Wenn es um klimaneutrale Wärme geht, ist Geothermie für Deutschland erste Wahl“, ist Knapek überzeugt.

Seine These wird durch zwei Studien von Forschern der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG untermauert. Demnach hat die sogenannte tiefe Geothermie das Potenzial, etwa ein Viertel (ca. 325 TWh) des gesamten deutschen Wärmebedarfs – das sind rund 1300 Terawattstunden (TWh) – zu decken. Weitere 600 TWh könnte die oberflächennahe Geothermie liefern. Der geothermische Beitrag zu einem klimaneutralen und zudem von Energieimporten weniger abhängigen Deutschland könnte also gewaltig sein – vorausgesetzt, man erschließt diese in der Erdkruste schlummernde Wärmequelle im großtechnischen Maßstab.

Die beiden Geothermie-Varianten, die tiefe und die oberflächennahe, nutzen jeweils unterschiedliche Temperaturniveaus. Die Temperatur in der Erdkruste steigt in Deutschland um durchschnittlich drei Grad pro 100 Meter Tiefe. Für die oberflächennahe Geothermie bohrt man bis 400 Meter tief. Zum Wärmetransport nach oben werden Erdwärmesonden eingesetzt, die in der Regel aus zwei am Fuß miteinander verbundenen Kunststoffrohren bestehen.

Geschlossener Wasserkreislauf

In den Rohrpaaren zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Auf dem Weg zum Tiefpunkt und zurück nimmt diese Trägerflüssigkeit Erdwärme auf – allerdings nicht in dem Maß, wie diese für das Beheizen von Wohnräumen gebraucht wird. Das erledigt eine Wärmepumpe an der Oberfläche, die die eingesammelte Wärme von maximal 25 Grad Celsius auf das erforderliche Temperaturniveau von 35 oder mehr Grad Celsius anhebt. Die Technik ist ausgereift. In Deutschland beheizen aktuell fast 450.000 Wärmepumpen Ein- und Mehrfamilienhäuser, Bürogebäude, Schulen, Kindergärten und Krankenhäuser. Zuletzt kamen pro Jahr rund 20.000 neue Anlagen hinzu.

Im Vergleich dazu stößt die tiefe Geothermie in andere Dimensionen vor. Mit Bohrungen von bis zu fünf Kilometer Tiefe erschließt sie bis zu 180 Grad Celsius heiße Wasserschichten, deren Wärme ganze Stadtviertel beheizen kann. Ab 100 Grad Celsius lässt sich sogar elektrischer Strom erzeugen. Tiefengeothermische Heizwerke bestehen im Wesentlichen aus zwei Bohrlöchern, einem Pumpensatz und einem Wärmetauscher. Aus der Förderbohrung wird heißes Wasser an die Oberfläche gepumpt, über den Wärmetauscher Wärme an ein Verteilnetz abgegeben und das abgekühlte Wasser über eine sogenannte Verpressbohrung wieder in den Untergrund gedrückt. Dort erwärmt sich das Wasser aufs Neue – der Kreislauf ist geschlossen.

Wird heißes Wasser aus natürlichen Hohlräumen im Gestein gefördert, sprechen Geologen von hydrothermaler Geothermie. Ist der Untergrund dagegen nur wenig durchlässig, kommt das petrothermale Geothermie-Verfahren zum Einsatz. Dabei werden Risse im Tiefengestein unter hohem Druck weiter aufgebrochen, damit sich die Durchlässigkeit des Untergrunds erhöht. Diese Technik ist auch unter der Bezeichnung Hot-Dry-Rock-Verfahren bekannt.

Drei Regionen für die Tiefenwärme

Während die Nutzung oberflächennaher Geothermie fast überall möglich ist, konzentrieren sich die Hotspots der tiefen Geothermie in Deutschland bislang auf nur drei Regionen. Neben dem bayerischen Molassebecken sind das der Oberrheingraben und das Norddeutsche Tiefland. Im Oberrheingraben, der eingezwängt ist zwischen Pfälzerwald und Vogesen im Westen sowie Odenwald und Schwarzwald im Osten, herrschen infolge zirkulierender und aufsteigender heißer Grundwasserströme bereits in geringer Tiefe hohe Temperaturen von bis zu 160 Grad Celsius. Ähnlich hohe Temperaturen kommen im Untergrund des Norddeutschen Tieflands vor – einem Becken, das begrenzt wird von Nord- und Ostseeküste im Norden und der Deutschen Mittelgebirgsschwelle im Süden, und das über Jahrmillionen mit Sedimenten verfüllt wurde.

Dass da noch mehr drin sein könnte, zeigen Untersuchungen in Nordrhein-Westfalen: in der Rhein-Ruhr-Region und im Aachener Raum nahe der Grenze zu Belgien und den Niederlanden. In beiden Gegenden besteht der Untergrund aus zerklüftetem Kalkgestein, ähnlich wie im Voralpenland. Wissenschaftlich begleitet von Forschern des Fraunhofer IEG wird dort in Tiefen von 3000 bis 5000 Metern nach Heißwasser führenden Gesteinsschichten gesucht. „Die Beschaffenheit des Untergrunds in diesen Regionen ist durch Bohrungen auf belgischer und niederländischer Seite bekannt“, erläutert Rolf Bracke, Leiter des Fraunhofer IEG und Professor für geothermische Energiesysteme an der Ruhr-Universität Bochum. „Auf deutscher Seite wurde dagegen nie gebohrt.“

Deutschland sei generell „geothermisch unterexploriert“, stellt Bracke fest: „Über den Untergrund weiß man nur dort etwas, wo in der Vergangenheit nach Öl und Gas gebohrt wurde“ – also im Norddeutschen Tiefland, im Oberrheingraben sowie im bayerischen Molassebecken; der Rest Deutschlands sei Terra incognita. „Nordrhein-Westfalen zum Beispiel wurde jahrzehntelang von der Kohleindustrie bewirtschaftet. Dort hatte man kein Interesse daran, nach anderen Wärmeträgern zu suchen.“

Doch jetzt, nachdem der Kohleausstieg beschlossen und das Billigerdgas aus Russland versiegt ist und man allerorten fieberhaft nach Alternativen sucht, wird Wärme aus heißen Quellen im Erdinnern wieder zur interessanten Option. So planen die Verantwortlichen in den Rathäusern von Aachen, Duisburg und Düsseldorf, die kommunale Fernwärmeversorgung von Erdgas und Kohle auf Geothermie umzustellen. In Hamburg-Wilhelmsburg wird bereits gebohrt. Dort soll schon bald das erste Geothermie-Heizwerk der Hansestadt rund 7000 Haushalte mit Wärme aus 3000 Meter Tiefe versorgen. Eine Bohrung in Schwerin, 100 Kilometer weiter östlich, hat mit 1300 Metern bereits ihren Tiefpunkt erreicht. Das Geothermie-Heizwerk der Hauptstadt von Mecklenburg-Vorpommern soll 2023 den Betrieb aufnehmen.

Wärme für 40.000 Menschen

Die Anlage bei Freiburg im Breisgau steckt dagegen noch in der Planungsphase. Dort will der regionale Energieversorger Badenova die Wohnungen von etwa 40.000 Menschen mit Wärme aus dem Erdinnern beheizen. Auch im Voralpenland soll wieder gebohrt werden: Der Gemeinderat der 25.000-Einwohner-Gemeinde Vaterstetten östlich von München hat dazu kürzlich einen Grundsatzbeschluss gefasst: Schon 2025 soll ein Geothermie-Heizwerk in Betrieb gehen. Mit im Boot sind die Nachbargemeinden Haar und Grasbrunn.

Der Zusammenschluss ist nötig, da die Kosten einer Tiefengeothermie-Anlage für eine Gemeinde allein kaum zu stemmen sind. In Vaterstetten veranschlagt man 35 Millionen Euro für die beiden Bohrungen und 40 Millionen für das Fernwärmenetz. Hinzu kommt das Risiko einer Fehlbohrung. Zwar ist ein Geothermie-Heizwerk, wenn es erst einmal gebaut wurde, im Betrieb billig, denn man spart sich die Brennstoffkosten, trotzdem schrecken die hohen Anfangsinvestitionen viele Rathauschefs ab – vor allem solche, die das Verteilnetz, das die Wärme in die Haushalte bringt, erst noch bauen müssten. Als Faustregel gilt: Pro Kilometer Leitung ist eine Million Euro fällig. Das ist mit ein Grund, warum die meisten Geothermie-Heizwerke sich auf Ballungsräume konzentrieren, wo man mit einem Kilometer Fernwärmeleitung weit mehr Abnehmer findet als in ländlichen Regionen.

„Der Staat muss Kommunen, die Geothermie nutzen wollen, finanziell entlasten“, meint Fraunhofer IEG-Chef Bracke. Das Bohrrisiko müsse besser abgefedert werden. Die Bundesregierung hat kürzlich ein Programm aufgelegt, das bei Neubau von Verteilnetzen für erneuerbare Wärme 40 Prozent der Investitionskosten übernimmt. Die Förderung umfasst Erzeugung und Infrastruktur, also auch geothermische Bohrungen. „Das Programm hilft aber nicht“, kritisiert Bracke. „Eine bohrwillige Kommune muss für die Bohrungen mit 20 Millionen Euro in Vorleistung gehen und bekommt lediglich 40 Prozent zurück – auch wenn die Bohrung erfolglos war.“ Der Geologe plädiert daher für einen staatlichen Fond, der die Bohrungen vorfinanziert und dabei anfallende Kosten nur bei einem Erfolg in Rechnung stellt.

Pannen schmälern das Vertrauen

Doch es sind nicht nur die Kosten, die den Ausbau der Geothermie in Deutschland hemmen. Der Wärme aus dem Inneren der Erde mangelt es auch an Vertrauen in der Bevölkerung, das für eine Erschließung in großem Stil jedoch nötig wäre. Zur Skepsis haben maßgeblich zwei Pannen beigetragen: eine in Basel, eine andere im südbadischen Städtchen Staufen. Im Dezember 2006 lösten Arbeiten für ein Geothermie-Projekt in der Nähe von Basel ein leichtes Erdbeben aus. Die Bohrfirma hatte über das rund 5000 Meter tiefe Bohrloch Wasser in den Untergrund gepumpt, um mithilfe des sogenannten Hot-Dry-Rock-Verfahrens das heiße Gestein durchlässiger zu machen. Das löste fünf leichte Erdstöße mit Stärke 3,4 auf der Richterskala aus. Zwar wurde dadurch niemand verletzt – nur einige Gebäude trugen leichte Schäden davon –, doch das Projekt wurde ein Fall für den Staatsanwalt und später ad acta gelegt.

In Staufen scheiterte 2007 der Versuch, die Stadt mit oberflächennaher Geothermie auf eine klimaneutrale Energieversorgung umzustellen. Schon bald nach Abschluss der Bohrarbeiten in 140 Meter Tiefe zeigten sich im Mauerwerk des Rathauses und der umliegenden Fachwerkhäuser erste Risse, die sich mit der Zeit weiteten. Fliesen zersprangen, Türrahmen verformten sich, ganze Gebäude gerieten in Schieflage. Es stellte sich heraus, dass die Bohrfirma versehentlich eine Gipsschicht angebohrt hatte. Eindringendes Wasser ließ den Gips aufquellen. Nach und nach hob sich die gesamte historische Altstadt – um bis zu einem Zentimeter pro Monat. Bis heute wurden fast 270 Häuser in Mitleidenschaft gezogen.

Damit ist der Ruf der Geothermie als zuverlässige Energiequelle bis heute lädiert. Die Gründe für die Pannen seien bekannt, berichtet Erwin Knapek, die Technologie habe eine Lernkurve durchlaufen und sei nun ausgereift. „Mit den tiefengeothermischen Anlagen, die heute in Betrieb sind, hat man überall gute Erfahrungen gemacht.“ Das dürfte auch mit den im Vergleich zu anderen Energiequellen unschlagbaren Vorteilen von Erdwärme zu tun haben.

Anders als Sonne und Wind ist sie bei jedem Wetter und zu jeder Tageszeit verfügbar und damit grundlastfähig. Sie ist klimaneutral und als einzige erneuerbare Energiequelle in der Lage, gleichzeitig Strom, Wärme und Kälte zu liefern. Sie spart Platz und verschandelt die Landschaft nicht, denn die Anlagen liegen größtenteils unter der Erde. Außerdem macht Geothermie unabhängig, denn es muss kein Brennstoff von irgendwoher in der Welt importiert werden. „Tiefengeothermie ermöglicht Selbstversorgung und Wertschöpfung in der jeweiligen Region“, sagt Knapek: ein unschätzbarer Vorteil, wie die durch den Krieg in der Ukraine ausgelöste Gaskrise zeigt.

Wärmenachschub aus dem Erdinneren

Doch ist Geothermie wirklich erneuerbar? Ist sie eine Energiequelle, die unerschöpflich ist? Zapft man Wärme von der Erdkruste ab, müsste diese doch auskühlen, könnte man meinen. Doch das stimmt nicht, widerspricht Fraunhofer-Forscher Rolf Bracke: „Aus dem Erdinneren wird ständig nachgeheizt.“ Eine Quelle dafür sei der rund 6000 Grad Celsius heiße Erdkern, aus dem Wärme in die Erdkruste aufsteigt. Der weitaus größere Teil des kontinuierlichen Wärmestroms nach oben stammt jedoch aus radioaktiven Zerfallsprozessen in Erdkruste und Erdmantel: „Das funktioniert im Prinzip wie ein natürliches Kernkraftwerk“, erläutert der Geologe. Nach menschlichem Ermessen sei das Versiegen der Wärmequelle im Erdinnern, die in etwa das Doppelte des globalen Energiebedarfs erzeugt, unmöglich.

Theoretisch wäre es demnach ein Leichtes, den Wärmebedarf Deutschlands komplett und auf Dauer mit Geothermie zu decken. Heizwärme für Häuser, Büros und Geschäfte sowie Prozesswärme für Gewerbe und Industrie schlucken zusammen über die Hälfte der hierzulande verbrauchten Energie. Knapp 85 Prozent dieser Wärme wird noch immer von fossilen Energieträgern erzeugt. Zwar heizt gut die Hälfte aller neu gebauten Wohnungen laut Statistischem Bundesamt mittlerweile mit erneuerbaren Energien,.

Doch Neubauten machen nur einen Bruchteil des Gebäudebestands aus; der große Rest hängt nach wie vor am fossilen Tropf. So werden hierzulande etwa ein Viertel aller Wohnungen mit Öl, die Hälfte mit Gas und knapp 15 Prozent mit Fernwärme beheizt, die bislang fast ausschließlich aus der Abwärme von Kohle- und Gaskraftwerken stammt.

Wer wissen will, was im Vergleich dazu Geothermie für einen Ballungsraum leisten kann, muss nach München fahren. Dort bauen die Stadtwerke die Versorgung mit Erdwärme seit fast zwei Jahrzehnten stetig aus. Ungefähr 40 Prozent aller Haushalte in der 1,5-Millionen-Einwohner-Metropole hängen am Fernwärmenetz, das Schritt für Schritt umgerüstet wird.

Das Stadtviertel Neu-Riem heizt bereits seit 2004 mit Erdwärme. Zehn Jahre später ging das Heizkraftwerk Sauerlach ans Netz, das rund 16.000 Haushalte mit klimaneutraler Energie versorgt. Seit 2016 speist das geothermische Heizwerk des neuen Stadtquartiers Freiham ins Fernwärmenetz der bayerischen Landeshauptstadt ein. Derzeit wird das Heizkraftwerk Süd mitten in der Stadt auf Geothermie umgestellt. Es soll schon bald Wärme für etwa 80.000 Menschen erzeugen. Das ehrgeizige Ziel: Bis 2035 soll in München die gesamte Fernwärme klimaneutral und überwiegend mit Erdwärme erzeugt werden.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…