Einteilung der geothermischen Quellen

Bei der Erschließung geothermischer Energiequellen wird grundsätzlich zwischen den Nutzungsformen Oberflächennahe und Tiefe Geothermie unterschieden.

 

Oberflächennahe Geothermie

Die oberflächennahe Geothermie nutzt den Untergrund bis zu einer Tiefe von ca. 400 m und Temperaturen bis 25°C für das Beheizen und Kühlen von Gebäuden, technischen Anlagen oder Infrastruktureinrichtungen. Hierzu wird die Wärme aus dem Erdreich und oberflächennahen Gestein oder aus dem Grundwasser gewonnen.

Boden und Fels
Die Erschließung von Erdwärme in Boden, Sedimenten und festen Gesteinen erfolgt über Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren oder erdberührte Betonbauteile ("Energiepfähle"). Die auf diesem Wege gewonnene Wärme kann direkt oder über eine Wärmepumpe genutzt werden.

Die Grundvoraussetzung für die wirtschaftliche Nutzung von Erdwärme aus Gesteinen oder wassergesättigten Sedimenten ist ein hohes Wärmetransportvermögen des Untergrundes. Eine wichtige Kenngröße ist hier die Wärmeleitfähigkeit λ (W/m.K). Sie gibt Aufschluss darüber, wie gut die Wärme dem Speicher entzogen werden kann und wie schnell die entzogene Wärme nachfliesst. Weiterhin gibt die spezifische Wärmekapazität cp (MJ/m3*K) an, wie gut das Gestein die zugeführte Wärme speichern kann.
Ausgehend von einer Jahresmitteltemperatur von 8,5 °C in Deutschland und einem geothermischen Gradienten von 3°C/100 m liegt die Untergrundtemperatur beispielsweise in 100 m Tiefe bei etwa 11 – 12°C. Diese Temperatur reicht aus, um Verkehrswege im Winter eisfrei zu halten oder Gebäude unter Einsatz einer Wärmepumpe zu beheizen. Umgekehrt ist die Temperatur niedrig genug, um damit im Sommer Gebäude oder auch Verkehrswege zu kühlen.

Grundwasser
Zur Nutzung von Wärme aus dem Grundwasser müssen ein Entnahme- und ein Schluckbrunnen errichtet werden. Die Brunnenbohrungen werden in der Regel bis zu 20 m tief abgeteuft. Dem geförderten Wasser wird die Wärme über einen Wärmetauscher entzogen, um mit einer Wärmepumpe auf das zum Heizen notwendige Temperaturniveau gebracht zu werden. Aufgrund der in Deutschland ganzjährig konstanten Grundwassertemperaturen von 8 – 11°C kann Grundwasser, in Abhängigkeit von den hydrogeologischen Voraussetzungen vor Ort, eine energetisch effiziente Wärmequelle darstellen. In Siedlungsgebieten sind die Grundwassertemperaturen sogar noch etwas höher.

Tiefe Geothermie

Die Tiefe Geothermie nutzt Lagerstätten, die in größeren Tiefen als 400 m unter Geländeoberkante erschlossen werden. Die Reservoirtypen sind hier im Prinzip die gleichen wie bei der oberflächennahen Geothermie. Als Petrothermale Lagerstätten bezeichnet man heiße und überwiegend trockene Tiefengesteine, bei denen die Wärme im Gestein gespeichert ist. Hydrothermale Lagerstätten stellen tiefliegende, heiße Grundwasserleiter dar. Hier ist die Wärme im Thermalwasser und im Gestein gespeichert.

In der tiefen Geothermie unterscheidet man darüber hinaus zwischen Hochenthalpie- und Niederenthalpielagerstätten. Diese Unterscheidung ist über die Temperatur definiert. Als Grenze zwischen Niederenthalpie- (geringere Temperaturen) und Hochenthalpielagerstätten (hohe Temperaturen) wird meist eine Temperatur von 200°C angegeben.  Bei Hochenthalpielagerstätten kann elektrische Energie direkt über Dampfturbinen erzeugt werden. Sie haben somit einen hohen Wirkungsgrad. Um mit dem Medium Wasser den hierfür nötigen Dampfdruck zu erhalten, sind jedoch hohe Temperaturen >200 °C im Untergrund nötig. Die Verstromung von Wärme aus Niederenthalpiesystemen ist nur mit Arbeitsmedien wie sie in ORC-Anlagen (Organic Rankine Cycle, Arbeitsmedium z.B. Pentan) oder Kalina-Kreisläufen (Arbeitsmedium: Ammoniak-Wasser-Gemisch) möglich. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt je nach Medium und Temperatur bei 10-15%.

Petrothermale Lagerstätten

Unter dem Begriff petrothermale Lagerstätte versteht man in der Regel heißes Tiefengestein, welches frei von zirkulierenden Thermalwässern ist. Im Grunde kommen damit alle geringporigen und wenig geklüftete Tiefengesteine und Sedimentgesteine in Frage. Im Prinzip wird in diesen nicht oder nur gering durchlässigen Gesteinen ein künstlicher Wärmetauscher gebaut. Dazu werden so genannte Stimulationsmaßnahmen verwendet. Der Überbegriff für diese künstlichen Wärmetauschersysteme heißt Enhanced Geothermal Systems (EGS), auf Deutsch "verbesserte geothermische Systeme“... Ist die Ausgangsdurchlässigkeit eines EGS sehr gering oder nicht vorhanden wird das Verfahren als HDR (Hot-Dry-Rock) bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird in dichtes Gestein, wie zum Beispiel Granit, nach der Erschließung durch eine Tiefbohrung unter hohem Druck Wasser eingepresst. Dabei entstehen offene Risse im Gestein und es bilden sich zahlreiche Wasserwegsamkeiten. Es entsteht ein künstliches Reservoir, durch welches Wasser zirkulieren kann. Dieses nimmt dabei Wärmeenergie aus dem heißen Gestein auf und wird durch eine zweite Bohrung gefördert.

Die Nutzung petrothermaler Lagerstätten steht noch am Anfang. Es sind noch weitere Entwicklungen und Erfahrungen notwendig um dieses System zur Marktreife zu führen. Vorhaben, bei denen diese Technik erprobt wird, laufen aktuell zum Beispiel im elsässischen Soultz-sous-Forêts und in Groß-Schönebeck in Brandenburg.
Der Vorteil der Nutzung petrothermaler Lagerstätten liegt im riesigen Potenzial, da sie nicht auf lokal begrenzte Thermalwasserreservoire angewiesen sind. Eine Erschließung ist somit ortsunabhängig möglich.
In Deutschland stellen EGS Lagerstätten über 90% des gesamten geothermischen Stromerzeugungspotenzials dar, hydrothermale Lagerstätten decken unter 10% ab.

Hydrothermale Lagerstätten

Unter hydrothermalen Lagerstätten versteht man Bereiche  in Tiefen über 400 m, in denen Thermalwasser zirkuliert. Dieses kann in Karsthohlräumen, Klüften, Störungszonen oder Porengrundwasserleitern vorkommen. Hydrothermale Lagerstätten sind in Deutschland in großer Zahl und in größeren Tiefen erschlossen. Die Reservoire werden in Kurorten wie etwa in Bad Staffelstein balneologisch genutzt Die Versorgung mit Fernwärme basiert in München-Riem, Neustadt-Glewe, Erding und vielen anderen Orten auf hydrothermaler Geothermie. Strom und Wärme wird in Landau und Unterhaching gewonnen. Für die Stromerzeugung sind Temperaturen von über 120°C notwendig.