Geothermie: Erneuerbare Energie, die Erdwärme nutzt

Geothermie (griechisch: "geo" = Erde und "therme" = Wärme) ist eine Form von erneuerbarer Energie, die sich die in der Erde gespeicherte Wärme zunutze macht. Die Erdwärme geht teilweise auf die Entstehung der Erde, also die Restwärme bzw. Hitze im Erdinneren, zurück. Zu einem Großteil (rund 50 bis 70 %) spielen jedoch natürliche, radioaktive Zerfallsprozesse in den Gesteinen (beispielsweise langlebige, radioaktive Isotope wie Uran-235 oder Thorium-232) im Erdinneren eine Rolle. Dadurch kommt es zu einem ständigen Nachschub an Wärme beziehungsweise regenerativer Energie.

In Mitteleuropa nimmt die Temperatur in der äußeren Erdkruste um rund 3 °C pro 100 Meter Tiefe zu. In bis 400 Meter Tiefe herrschen im Durchschnitt etwa 8°C bis 15°C. Die durchschnittliche Temperatur in 5.000 Metern Tiefe liegt bei rund 160°C. Die Temperatur im Erdkern liegt schätzungsweise zwischen 4.500 °C und 6.500 °C.

Die durch Erdwärme gewonnene Energie kann zum Heizen, zum Kühlen, zur Stromerzeugung und für Geothermie-Kraftwerke (Kraft-Wärme-Kopplung) verwendet werden.

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Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien spielt die industriell genutzte Geothermie eher noch eine untergeordnete Rolle (siehe Grafik unten). Wärmepumpen gewinnen hingegen in Österreich zunehmend an Bedeutung. Laut dem Verband Wärmepumpe Austria, wurden 2021 insgesamt 38.583 Wärmepumpen verkauft (Stand: 1. April 2022). Die Wärmepumpe sei demnach das führende Heizungssystem im Neubau, mit starkem Wachstum in der Sanierung.

Neben dem Einsatz von Oberflächennahen Geothermie hat die Tiefe Geothermie in Österreich eine lange Tradition: Es wurden und werden natürliche Thermalwässer zur Energiegewinnung (Hydrothermale Geothermie) genutzt. Die erste geothermische Anlage, die Thermalwässer als Energiequelle verwendete, ist 1977 in Bad Waltersdorf in Betrieb genommen worden, wie die der Verein "Geothermie für Österreich" (GTÖ) mitteilt.

In Österreich bieten laut GTÖ insbesondere das Molassebecken (gelegen in Oberösterreich und im Wiener Becken) und das Steirische Becken gute Bedingungen für hydrogeothermale Nutzung. Daher werden nach Angaben der Geologische Bundesanstalt vor allem in der Oststeiermark sowie im Inn bzw. Hausruckviertel (OÖ) natürliche Thermalwässer für Thermalbäder sowie für die Gewinnung von Heizwärme und Strom genutzt. In Österreich gibt es laut Dachverband "Erneuerbare Energie Österreich" (EEÖ) insgesamt 9 geothermische Wärmeheizwerke mit einer Gesamtleistung von rund 95 Megawatt. Weiters existieren 2 Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Gesamtleistung von rund 1,2 Megawatt.

Die Erdwärme ist als erneuerbare Energie auf jeden Fall ein Gewinn für die Umwelt. Doch gibt es bei der Geothermie auch ein paar Nachteile:

Für ein Eigenheim ist eine Wärmepumpe eine gute Alternative zu anderen Heizformen. Eine Umrüstung zahlt sich in den meisten Fällen aus (je nach Gegebenheiten rund um das Haus und der Höhe des Budgets). Denn die Wärmepumpe ist nicht nur umweltfreundlich, sie punktet zusätzlich mit geringen jährlichen Betriebskosten. Wenn sie über eine Kühlfunktion verfügt, kann man damit im Sommer sogar das Haus kühlen.

Grundsätzlich kann man zwischen 2 Formen von Geothermie unterschieden:

• Tiefe Geothermie: Bohrungen tiefer als 400 Meter

• Oberflächennahe Geothermie: Bohrungen bis 400 Meter

Bei der Tiefen Geothermie spielen Nieder- und Hochenthalpieregionen eine Rolle. Hochenthalpieregionen sind Gebiete, in denen hohe Temperaturen (meist über 200 °C) und/oder Drücke im Erdreich zu finden sind. An der Oberfläche machen sich diese Bedingungen beispielsweise durch heiße Quellen oder Vulkane bemerkbar. Niederenthalpieregion sind hingegen jene Gebiete im Untergrund, in denen niedrigere Temperaturen (unter 150 °C) herrschen.

Hochenthalpie-Lagerstätten werden weltweit hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt, während Niederenthalpie-Lagerstätten meistens der Wärmeerzeugung dienen. Die Anlagen der Tiefen Geothermie sind in der Regel größer und leistungsfähiger als jene der Oberflächennahen Geothermie.

Die Oberflächennahe Geothermie speist sich einerseits aus Sonnenenergie, die das Erdreich erwärmt und andererseits aus dem Wärmestrom aus der Tiefe. Diese Art der Geothermie wird vor allem zum Heizen und zur Warmwassererzeugung mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt. Häufig kommt diese Form der Energiegewinnung bei Einfamilienhäusern beziehungsweise privaten Haushalten zur Anwendung.

In Europa nutzen Länder wie Island (rund 50 Prozent der Primärenergie stammt dort von Erdwärme), Deutschland, Italien oder Schweden die Erdwärme als Energiequellen - aber auch in Österreich hat die Geothermie Tradition.

Damit die Erdwärme für die Strom- oder Wärmeerzeugung eingesetzt werden kann, braucht es unterschiedlichen Methoden zur Energiegewinnung.

In der Tiefen Geothermie werden verschiedene Verfahren verwendet, wobei allen gemeinsam ist, dass Erdbohrungen durchgeführt werden:

Hochenthalpie-Lagerstätten: "Dry-Steam"-Verfahren oder "Flash"-Verfahren

Niederenthalpie-Lagerstätten: Hydrothermale Systeme, Petrothermale Systeme, Tiefe Erdwärmesonden

Beim "Dry-Steam"-Verfahren tritt trockener Dampf aus dem Bohrloch, der direkt einer Turbine zugeführt wird, die wiederum Strom erzeugt. Das "Flash"-Verfahren wird angewandt, wenn ein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit vorliegt. Das Wasser gelangt in einen Entspannungsbehälter, in dem der Druck reduziert wird und so Dampf an der Turbine entsteht (Flash-Verdampfung). Wasser, das im Tank flüssig geblieben ist, wird mit der Injektionspumpe ins Bohrloch bzw. die Erde zurückgepumpt.

Bei Gebieten mit niedrigeren Temperaturen werden andere Verfahren zur Energiegewinnung eingesetzt. Als Hydrothermales System wird die Nutzung von thermalen Wässern in Tiefen von über 300 Meter oder über 20°C (bis ca. 100°C) bezeichnet. Dabei wird normalerweise mithilfe von zwei Tiefenbohrungen (auch geothermische Dublette genannt) gearbeitet: Über eine Bohrung wird das Wasser an die Oberfläche befördert und die thermische Energie dann mittels eines Wärmetauschers an ein System wie beispielsweise ein Fernwärmenetz abgegeben. Im Anschluss wird das abgekühlte Wasser über eine Injektionsbohrung wieder in den Untergrund zurückgepumpt, sodass ein regenerativer Kreislauf entsteht. Ebenfalls möglich ist eine Kombination von mehreren Förder- und Injektionsbohrungen (Multipletten-System).

Funktionsweise einer Tiefengeothermie-Anlage (Hydrothermales System):

Petrothermale Systeme kommen zur Anwendung, wenn die Wärme nicht in Fluiden, sondern im Gestein gespeichert (mindestens 150°C) ist. Weil in diesem Fall kaum Wasser vorhanden ist, wird dieses durch eine Wasserinjektion (Injektionsbohrung) künstlich und unter hohem Druck zugeführt. Das Wasser zirkuliert anschließend in den geschaffenen Rissen und heizt sich auf. Über eine Förderbohrung wird das erwärmte Wasser wieder an die Oberfläche gebracht und über eine Injektionsbohrung wieder in das Gestein zurückgepumpt. So entsteht ein künstlicher Wasserkreislauf.

Die durchschnittliche Tiefe der Bohrungen bei hydrogeothermalen und petrogeothermalen Anlagen liegt laut Verein "Geothermie für Österreich" (GTÖ) zwischen rund 2.500 bis 4.500 Metern.

Tiefe Erdwärmesonden sind ein geschlossenes System mit einem Wärmetauscher, wobei es zu einer einzigen Bohrung kommt, die über 300 Meter tief ist. Das Fluid zirkuliert dabei in der Regel in einem koaxialen (übereinstimmende Achsen) Rohr, wobei das kalte Wärmeträgerfluid in den äußeren Bereichen nach unten fließt, in der Tiefe erwärmt und danach über eine Steigleitung wieder nach oben gefördert wird.

Zur Energiegewinnung kommen bei der Oberflächennahen Geothermie zumeist Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden zum Einsatz. Diese Systeme werden mit Wärmepumpen betrieben und können in den Sommermonaten sogar Räume kühlen (Free Cooling).

Erdwärmekollektoren bestehen aus einem horizontal und mäanderförmig (gewundener Verlauf; siehe Bild unten) im Boden (in ca. 1 bis 1,5 Metern Tiefe) verlegten, geschlossenen Rohrsystem, das aufgrund der Nähe zur Oberfläche stark von den Jahreszeiten abhängig ist und hauptsächlich für Wärmepumpenheizungen eingesetzt wird. Durch die Kunststoffrohre zirkuliert ein Wasser-Glykol-Gemisch, das als Wärmeträger fungiert. Regen und Sonne erwärmen das Erdreich, diese Wärme wird schließlich über den Wärmeträger entnommen und gelangt zur Wärmepumpe. Erdwärmekollektoren benötigen im Vergleich zu Sonden eine wesentlich größere Fläche.

Erdsonden werden in vertikal oder schräg verlaufende Bohrlöcher eingeführt und können dem Erdreich sodann Wärme entziehen. Bei geschlossenen Sondensystemen (U-Sonden oder Doppel-U-Sonden) wird die geothermische Energie - ähnlich wie bei den Kollektoren - über ein Wärmeträgermedium (Sole aus Wasser und Frostschutzmittel wie Glykol/oder alternativ Wasser und CO2) und eine Wärmepumpe nach oben befördert. Beim offenen Sondensystem werden dem Erdreich bereits vorhandene Fluide (Wasser/Dampf) über eine Sonde entzogen (Förderbohrung) und anschließend werden die abgekühlten Fluide mit einer anderen Sonde wieder ins Erdreich zurückgeführt (Injektionsbohrung). So wird dem Boden nichts auf Dauer entzogen und der Kreislauf kann wieder von vorne beginnen.

Abgesehen davon existieren Sonderformen der geothermischen Nutzung wie Geothermie aus Tunneln oder Bergwerken. Hier kommt es beispielsweise zur Wärmenutzung von Drainagewässern, die um einiges wärmer sind als das übrige Grundwasser.

Durch Geothermie können ganze Gebäude geheizt und gekühlt werden. Ein Großteil der Energie kommt bei dieser Methode aus dem Erdreich, der Rest wird in Form von Strom benötigt. Erdwärme kann außerdem zur Erzeugung von Strom oder in der Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden.

Oberflächennahe Geothermie wird vor allem in Gebäuden für die Heizung und Bereitstellung von Warmwasser mittels Wärmepumpe genutzt.

Die Kosten für eine 100 m tiefe Bohrung für Erdwärme belaufen sich im Schnitt auf 5.000 bis 10.000 Euro. In dieser Tiefe - ca. 40 bis 100 m - liegen beispielsweise die Sonden für Wärmepumpen. Für diese Art der Bohrungen sind Genehmigungen bei der zuständigen Bezirkshauptmannschaft oder beim Magistrat einzuholen.

Die Wärmepumpe ist eine Möglichkeit, wie Energie aus der Oberflächennahen Geothermie genutzt werden kann - und ist besonders für Eigenheimbesitzer eine Heizalternative.

Die Wärmepumpe entzieht dabei dem Außenbereich die Wärme und liefert diese als Heizenergie an das Haus. Mögliche Wärmequellen hierbei sind das Erdreich, das Grundwasser oder die Luft. Die Gewinnung der Erdwärme erfolgt im Fall der Wärmepumpe über Sonden oder Kollektoren.

Die so gewonnene Wärme muss noch auf ein für die Heizung brauchbares Niveau gebracht werden. Hier kommt ein Kältemittel zum Einsatz, das die zugeführte Wärme aufnimmt und schon bei relativ geringen Temperaturen (ca. 10 °C) anfängt zu sieden und zu verdampfen. Dieser Dampf wird durch einen Kompressor verdichtet, wodurch die Temperatur ansteigt und über einen Wärmetauscher an das Heizsystem abgegeben wird. Wärmepumpen fungieren häufig als Zentralheizung.

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Für das Umwandeln der Wärmequellen in Heizenergie benötigt die Wärmepumpe zusätzlich Strom. Daher sollte darauf geachtet werden, dass es sich hier um Ökostrom handelt, um den CO2-Fußabdruck gering zu halten.

Die Kosten für Anschaffung und Installation einer Wärmepumpe variieren je nach Art (Wasser-Wasser-Wärmepumpe, Erdwärmeheizung, Luftwärmepumpe) und liegen zwischen rund 10.000 und 25.000 Euro. Wer sich eine Wärmepumpe kauft, der bleibt aufgrund von Förderungen allerdings meist nicht auf den gesamten Kosten sitzen. Eine gute Übersicht über die Fördermöglichkeiten bietet der Verband Wärmepumpe Austria.

Prinzipiell zählt die Geothermie zu den erneuerbaren Energien und gilt als CO2-neutral - abgesehen von der Herstellung der Baumaterialien wie Stahl und Beton sowie bei Transport- und Dienstleistungen. Die Erdwärme kann sich regenerieren, ist rund rund um die Uhr verfügbar und unabhängig von fossilen Energieträgern.

Unterscheiden muss man allerdings zwischen der Tiefen und der Oberflächennahen Geothermie:

• Oberflächennahe Geothermie: Es wird zusätzlicher Strom für die Wärmepumpe benötigt, wenn diese die Wärmequelle in Heizenergie umwandelt. Es sollte deshalb darauf geachtet werden, dass der benötigte Strom ebenfalls aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird, damit es umweltfreundlich bleibt.

• Tiefe Geothermie: Diese Methode hat den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu anderen alternativen Energien weniger Fläche braucht und daher schonend für die Landschaft ist. Der Betrieb der Anlage verursacht keine Emissionen.

Gewisse Umwelteffekte bleiben jedoch laut deutschem Umweltbundesamt nicht aus: So kommen Frostschutzmittel wie Glykol bei Kollektoren oder Sonden zum Einsatz oder fluorierte Arbeitsmittel in einem Geothermiekraftwerk. Wenn darauf geachtet wird, dass die verwendeten Stoffe das Klima nicht beeinträchtigen, sind Umwelteffekte lokal begrenzt und technisch beherrschbar.

Das Fazit lautet also: Geothermie trägt zur Reduktion von CO2-Emissionen bei und ist eine umwelt- und klimaschonende Alternative.

In Wien hat sich das Forschungsprojekt "Geotief Wien" von Wien Energie zum Ziel gesetzt, das Erdwärme-Potenzial im Wiener Becken zu erforschen. Unterhalb von Wien befindet sich das sogenannte „Aderklaaer Konglomerat“ - eine wasserführende Gesteinsschicht in den südöstlichen Teilen Wiens und dem angrenzenden Niederösterreich -, das eine Nutzung von Tiefer Geothermie in der Bundeshauptstadt möglich macht. In rund drei Kilometern Tiefe wurden Thermalwasservorkommen entdeckt.

Beim Forschungstest konnten laut Wien Energie über 95 Grad Celsius Wassertemperatur gemessen werden. Auf Grundlage dieser Forschungsergebnisse will Wien Energie bis 2026 in der Seestadt Aspern die erste Geothermie-Anlage Wiens errichten. Die Anlage soll eine geplante Leistung von bis zu 20 Megawatt (thermisch) haben und Fernwärme für bis zu 20.000 Wiener Haushalte liefern.

Das Projekt wird aus den Mitteln der Umweltförderung des BMK gefördert und hat ein geplantes Investitionsvolumen von rund 80 Millionen Euro. Mit den Arbeiten vor Ort soll 2023 gestartet werden. Zur Erschließung des Thermalwassers sind mehrere Bohrungen in über 3 km Tiefe erforderlich. Bei den Bohrungen ist mit keinerlei Auswirkungen wie etwa Vibrationen an der Erdoberfläche zu rechnen, wie Wien Energie in einer Aussendung mitteilt. Bis 2030 soll durch die Anlage jährlich eine CO2-Einsparung von 325.000 Tonnen möglich sein.