Geothermie – unendliche Wärme aus der Tiefe

Was dahinter steckt und wie die Energieversorgung mit Geothermie funktioniert: Wir klären die wichtigsten Fragen.

Woher kommt die Wärme?

Die Wärme stammt zu einem Drittel von der Abkühlung des Planeten: Denn trotz ihres hohen Alters herrschen im Kern der Erde noch Temperaturen von 5.000 bis 7.000 °C! Der Rest entsteht durch den ständigen Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente, die sich in Erdmantel und Erdkruste befinden. Und die Erde behält ihre Hitze nicht in sich, sondern gibt sie kontinuierlich ins Weltall ab. Dieser sogenannte terrestrische Wärmestrom verläuft 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr. Expertinnen und Experten gehen davon aus, dass dieser Wärmestrom noch mindestens für die nächsten viereinhalb Milliarden Jahre vorhanden ist und damit aus menschlicher Sicht als unerschöpflich gilt.

Da die Erde ihre Wärme permanent nach außen abgibt, ergibt sich im Umkehrschluss eine von der Tiefe abhängige Temperaturzunahme, der sogenannte geothermische Gradient. Er gibt an, um wie viel Grad Celsius die Temperatur pro 100 Meter steigt: in Deutschland durchschnittliche 3 °C/100 m. Lokal kann es allerdings große Unterschiede geben: So beträgt der geothermische Gradient im bayrischen Voralpenland etwa 3,5 bis 4,5 °C/100 m und kann in vulkanisch aktiven Zonen auch bis zu 20 °C/100 m hoch sein!

Oberflächennahe Geothermie

Theoretisch kann jeder mit oberflächennaher Geothermie beispielsweise seine Fußbodenheizung betreiben. Um die Wärme aus der Erde zu holen und nutzbar zu machen, gibt es zwei verschiedene Systeme: ein offenes und ein geschlossenes System.

Verschiedene geothermische Systeme | Grafik: WDR

Beim offenen System wird ein ca. 25 Meter tiefer Brunnen gebaut, der 10 bis 15 °C warmes Grundwasser hochpumpt. Nachdem dem Grundwasser die Wärme an der Oberfläche entzogen wurde, wird es in einem zweiten Brunnen wieder in die Tiefe zurückgebracht, wo es sich von alleine wieder aufheizt. Beim geschlossenen System hingegen gibt es nicht zwei voneinander getrennte Brunnen, die in das Grundwasser ragen, sondern einen einzigen, langen Rohrkreislauf. Dieser führt als Sonde entweder kontinuierlich Flüssigkeiten in bis zu 160 Meter Tiefe, wo diese sich automatisch erwärmen und nach oben gepumpt werden können, oder die Flüssigkeiten werden in einem horizontalen Kollektor durch 1,5 Meter Tiefe geleitet.

Temperaturerhöhung durch eine Wärmepumpe

In beiden Systemen wird die thermische Energie aus der Tiefe in einer Wärmepumpe zusätzlich erhöht, damit sie beispielsweise für den Betrieb einer Heizung und heißes Duschwasser ausreicht. Dazu wird die Wärme des Grundwassers auf eine andere Flüssigkeit übertragen, die verdampft und verdichtet wird. Der heiße Dampf wiederum erwärmt dann das Wasser, das vom Verbraucher genutzt wird.

Ob der Bau einer Anlage praktisch möglich ist oder ob es beispielsweise schützenswerte Gewässer in der Nähe gibt, lässt sich über die Geologischen Dienste der Länder erfragen. Dies ist wichtig, da sich durch die Bohrungen Gesteine oder Mineralien lösen können, die die Wasserqualität beeinträchtigen könnten.

Oberflächennahe Geothermie auf dem Land und in Neubaugebieten

Für Industriegebiete reicht die Wärmenergie aus diesen Systemen allerdings nicht aus und auch in stark bebauten Gebieten ist ein nachträglicher Einbau selten realisierbar. Deshalb finden sich die meisten der rund 400.000 oberflächennahen Geothermie-Anlagen Deutschlands in ländlichen Gegenden oder Neubaugebieten.

Tiefe Geothermie in Industrie- und Stadtgebieten

Industrie- und Städteregionen sind daher auf Wärmenetze angewiesen, die Temperaturen von 50 °C bis zu 130 °C benötigen. Um das mit Geothermie zu bedienen, muss man tiefer bohren: in drei bis fünf Kilometer Tiefe. Hier spricht man von der tiefen Geothermie. Allerdings ist es in solchen Tiefen weitaus schwieriger, die wasserführenden Gesteinsschichten, sogenannte Aquifere, zu finden, als bei einem 25 Meter tiefen Grundwasserbrunnen.

Wärme aus Grundwasserschichten in fünf Kilometer Tiefe

Im Prinzip funktioniert die Nutzung der Aquifere wie bei dem offenen System der oberflächennahen Geothermie. Eine Förderbohrung pumpt das heiße Wasser unter hohem Druck aus der Tiefe hoch, eine Wärmepumpe zapft die thermische Energie ab und eine Reinjektionsbohrung bringt das nun abgekühlte Wasser wieder zurück in die Tiefe. Im Gestein fließt das Wasser durch die Aquifere zurück zur Förderbohrung und erwärmt sich dabei erneut. Besonders ergiebig für diese sogenannte hydrothermale Geothermie ist in Deutschland das Molassebecken, ein zerklüfteter Ausläufer der Alpen, zwei bis fünf Kilometer tief unter dem Süden Bayerns. Deshalb stehen hier auch über die Hälfte der knapp 37 tiefengeothermischen Anlagen Deutschlands.

Stimulierung von heißen Gesteinsschichten in sieben Kilometer Tiefe

Noch tiefer dringt das petrothermale System, auch Hot-Dry-Rock genannt, in den Untergrund vor: bis zu sechs Kilometer tief. Hier gibt es meist keine Hohlräume mehr, in denen sich Wasser sammeln könnte, aber Gesteinstemperaturen von bis zu 200 °C. Um diese Hitze nutzen zu können, muss das Gestein erst mal künstlich stimuliert werden. Dafür wird mit hohem Druck kaltes Wasser nach unten gepresst, was dazu führt, dass das Gestein aufbricht und sich die Risse mit dem Wasser füllen. Danach ist das Prinzip vergleichbar mit dem der hydrothermalen Geothermie. In Europa gibt es bislang nur eine Anlage im französischen Soultz-sous-Forêts, die das Hot-Dry-Rock-Verfahren anwendet.

Experten schreiben der Geothermie ein hohes Potenzial zu: Die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG geht davon aus, dass die oberflächennahe Geothermie, u. a. über Erdwärmepumpen, bis zu drei Viertel des Nutzwärmebedarfs für Raumwärme und Warmwasser decken kann. Je nach Berechnungsmodell könnte einer Meta-Studie des Leibniz-Instituts für Angewandte Geophysik zufolge der Ausbau der Geothermie ab 2045 über 50 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente pro Jahr einsparen.

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Geothermie in Deutschland — eine Randerscheinung

Bis dahin ist es noch ein weiter Weg: Aktuell wird das vermeintlich große Potenzial der Geothermie bei Weitem nicht ausgeschöpft. 2023 wurden in Deutschland nur 2,35 Prozent der Wärmeversorgung durch Geothermie und Umweltwärme gedeckt. Das ist zwar mehr als in den Vorjahren, doch der größte Teil entfällt weiterhin auf die oberflächennahe Geothermie. Das lässt sich auch durch das starke Wachstum auf dem Wärmepumpenmarkt erklären.

Bei der Stromversorgung ist noch mehr Luft nach oben: Weniger als 0,04 Prozent der deutschen Bruttostromerzeugung entfielen 2023 auf Geothermie, dadurch wurden immerhin fast 100.000 Tonnen CO2-Äquivalente eingespart.

Autorin / Autor: Kerstin Gründer, Henrik Veldhoen