Ökologische Aspekte

Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit und der ökologischen Qualität und birgt auch aus Sicht des Klimaschutzes und der Luftreinhaltung große Vorteile.
Die ökologischen Aspekte der tiefen Geothermie werden von zwei Fragestellungen bestimmt: Wie viel CO2 kann bei der Nutzung der Geothermie zur Stromerzeugung eingespart werden, welche ökologischen Auswirkungen hat der Bau und Betrieb von geothermischen Kraftwerken auf deren Umgebung und wie nachhaltig ist die Nutzung geothermischer Ressourcen?

CO2 Einsparungspotenzial

Bei der herkömmlichen Stromerzeugung und Wärmebereitstellung aus Kohle, Erdöl oder Erdgas wird bei der Verbrennung CO2 freigesetzt. Werden herkömmlich erzeugter Strom und Wärme durch Erdwärme ersetzt, werden diese CO2 Emissionen  zu 100% eingespart. Dies gilt bei der tiefen Geothermie dann, wenn der Thermalwasserkreislauf ein geschlossenes System darstellt, und keine Entgasung stattfindet. In Deutschland werden die Geothermiekraftwerke zur Stromerzeugung nach diesem Prinzip betrieben.

Wie viel CO2 gegenüber konventionellen Kraftwerken eingespart werden kann, hängt von den zum Vergleich herangezogenen Kraftwerken ab. Kohlekraftwerke zum Beispiel setzen zur Erzeugung von einem Megawatt Strom mehr CO2 frei als Gaskraftwerke. Diese Unterschiede in den Emissionen bestehen auch zwischen Öl und Gasheizungen.

Wie viel CO2 durch Geothermie ersetzt werden kann, ist auch vom Potenzial der Geothermienutzung in Deutschland abhängig. Alleine in Deutschland könnten mit dem technisch zugänglichen Potenzial etwa die Hälfte des Jahresstromverbrauchs und ein Vielfaches der jährlich benötigten Wärmemenge gedeckt werden.  

Ob in der oberflächennahen Anwendung für Heiz- und Kühlungszwecke oder als tiefe Geothermie für die Strom- und Wärmegewinnung, geothermische Energie steht zu jeder Tages- und Jahreszeit zur Verfügung. Sie stellt damit eine wirtschaftliche, saubere und grundlastfähige Energiealternative für die Zukunft dar.

Ökologische Auswirkungen bei Bau und Betrieb

Im Gegensatz zu den fossilen und nuklearen Energieträgern entstehen keine Umweltbelastungen durch Abbau, Transport, Aufbereitung und Lagerung von Brennstoffen.  

Umwelteinflüsse der tiefen Geothermie

Die Umwandlung in Strom oder Nutzwärme ist frei von CO2- und Rauchgasemissionen wie Russpartikeln, Schwefel- und Stickoxiden.
Mit dem Bau von Geothermieanlagen und -Kraftwerken sind, wie auch beim Bau anderer Kraftwerkstypen, bei der Herstellung der Baumaterialien (z.B. Beton und Stahl) sowie bei Transport- und Dienstleistungen CO2 Emissionen verbunden. Diese gilt es vor und während der Baumaßnahmen durch sorgfältige Planung so gering wie möglich zu halten.

Weitere Fragestellungen sind auch mögliche Risiken, die mit der Herstellung der Bohrungen verbunden sind. Da in den geothermischen Provinzen des Oberrhein Grabens, der Molasse  und des norddeutschen Beckens Kohlenwasserstoffe im Untergrund vorhanden sind, muss bei den Bohrungen Vorsorge getroffen werden, dass diese nicht zu Umweltbeeinträchtigungen führen. Die Technologie dazu stammt aus der Erdöl- und Erdgasindustrie und wird auch bei Geothermiebohrungen verwendet.

Bei Petrothermaler Geothermie werden planmäßig geringe Erschütterungen im Untergrund ausgelöst. Dies geschieht durch  das Einpressen von Wasser in den Untergrund und das dadurch gewollt verursachte Aufreißen des Gesteins. Durch eine angepasste Vorgehensweise bei dieser so genannten Stimulation sollen größere Erschütterungen vermieden werden. Stärkere Erschütterungen, wie sie beim Deep-Heat-Mining Projekt in Basel aufgetreten sind, werden in Zukunft zu vermeiden sein. Zu diesem Zweck ist eine wissenschaftliche Auswertung der Ereignisse in Basel angelaufen, die auch zum Ziel hat, eine an die geologischen Verhältnisse des jeweiligen Standorts angepasste Stimulationsstrategie zu entwickeln. Diese Strategie ist vor allem dort von großer Bedeutung, wo durch die Stimulationsmaßnahmen natürlich im Untergrund vorhandene Spannungen gelöst werden können. Dieses war in Basel der Fall. In anderen Regionen ist das Risiko größerer Erschütterungen deutlich geringer, wie es im Projekt in Groß-Schönebeck gezeigt werden konnte.

Bei Hydrothermaler Geothermie wird durch Stimulationen die Durchlässigkeit in einem bereits bestehenden Thermalwasserreservoir verbessert. Dabei werden meist geringere Drücke verwendet, was das Risiko eine größere Erschütterung auszulösen, minimiert.

Der Betrieb von Geothermieanlagen ist prinzipiell sehr umweltverträglich. Im Normalbetrieb, wie auch bei Störfällen sind schädliche Umwelteinflüsse von technischer Seite durch die Verwendung von hochwertigen Baumaterialien und einer sehr ausgereiften Technik mit zahlreichen Sicherungseinrichtungen nahezu ausgeschlossen.

Das Thermalwasser wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt, so dass daraus keinerlei Beeinträchtigungen der Umwelt hervorgerufen werden. Bei einer möglichen Leckage wird der Durchfluss gestoppt, und der undichte Bereich abgesperrt.

Die beim Stromerzeugungsprozess eingesetzten Arbeitsmittel werden im Kraftwerkskreislauf ebenfalls in einem geschlossenen System geführt. Im Falle von Leckagen wird auch hier konstruktive und technische Vorsorge getroffen, dass die Umwelt nicht belastet wird.

Wie bei jedem thermischen Kraftwerksprozess muss der Kreislauf zur Kondensation des Arbeitsmittels gekühlt werden. Dabei wird Wärme in die Umgebung abgegeben. Bei der Größe der geothermischen Kraftwerke, die in Deutschland gebaut werden, sind diese Wärmeemissionen aber gering und lokal begrenzt. Sie sind in ihrer Größenordnung nicht vergleichbar mit den Kühlungsanforderungen von thermischen Großkraftwerken der Kohle, Gas und Atomindustrie.

Die Umweltrelevanz der tiefen Geothermie wurde in einer Studie des Umweltbundesamtes im Jahr 2007 untersucht.

Oberflächennahe Geothermie

In der oberflächennahen Geothermie werden heutzutage in den Wärmepumpensystemen nur noch ozonunschädliche Arbeitsmittel mit einem sehr geringen Grundwassergefährdungspotenzial verwendet.  Kommen Erdwärmesonden in besonderen Grundwasserschutzzonen zum Einsatz, sind vollständig unbedenkliche Arbeitsmittel vorgeschrieben.

Bei Wärmepumpensystemen ist lediglich der Energiebedarf für den Antrieb zu berücksichtigen, was bei heutiger Technik etwa 20-25% der Gesamtheizleistung ausmacht. Dieser Energiebedarf kann über Strom oder Gas gedeckt werden. Wird die Wärmepumpe über rein regenerativ erzeugten Strom betrieben, kann auch oberflächennahe Geothermie klimaneutral genutzt werden. Nach Schätzungen der Branche werden durch die Nutzung der Geothermie in Deutschland mehr als 20 Millionen Tonnen an CO2  Emissionen eingespart.

Beim Einsatz von Erdwärmesonden sind die Belange des Grundwasserschutzes zu berücksichtigen. Tiefliegende Trinkwasserreservoire, die durch eine Sperrschicht von darüber liegenden belasteten Grundwässern getrennt sind, müssen geschützt werden. So ist es potentiell möglich, dass während des Bohrvorganges mit der Durchteufung natürlicher Trennschichten verschiedener Grundwasserstockwerke ein hydraulischer Kurzschluss entsteht und somit eine Vermischung verschiedener Grundwasservorkommen erfolgen kann. Ein besonders hohes Risiko stellt dabei das Anbohren eines artesisch gespannten Grundwasserleiters dar.

Nachhaltigkeit

Die im Erdinneren gespeicherte Wärme ist nach menschlichem Ermessen unerschöpflich.

Bei der tiefen Geothermie werden Thermalwässer und heiße Gesteine in größeren Tiefen genutzt. Je nach dem wie schnell Wärme von unten zugeführt wird, bleibt die Temperatur im genutzten System aus Thermalwasser und heißem Gestein erhalten oder es kühlt sich sehr langsam aus. In Regionen, wie dem Oberrheingraben, indem durch tief reichende Störungszonen Wärme nachgeführt wird, unterbleibt eine Auskühlung oder sie dauert sehr lange. Mit dem Abstand zwischen Förder- und Injektionsbohrung läst sich die Größe des Systems und damit die Dauer der Abkühlung beeinflussen. Geothermische Projekte werden so geplant, dass erst nach einem Betrieb von über 30 Jahren mit einer langsam beginnenden Temperaturabsenkung des geförderten Thermalwassers zu rechnen ist.

Auch die Entnahme von Wärmeenergie aus dem Untergrund mittels Erdwärmesonden ist aus ökologischer Sicht unbedenklich. Diese werden so dimensioniert, dass sich die Untergrundtemperaturen in den Sommermonaten regenerieren, in denen die Anlage nicht benutzt wird. Zudem besteht die Möglichkeit den Untergrund als Wärmespeicher zu verwenden, wenn man die Erdwärmesonden im Sommer zur Gebäudekühlung benutzt. Die dem Gebäude hierbei entzogene Wärme wird in die Sonden geleitet und somit das sie umgebende Gestein erwärmt. Die so gespeicherte Wärme kann im Winter nun wieder zum Heizen benutzt werden. Schädliche Auswirkungen sind auch deswegen nicht zu erwarten, weil die relevanten Nutzungstiefen unterhalb der belebten Bodenzone liegen und bei einer nachhaltigen Nutzung die Auskühlungseffekte relativ gering und räumlich sehr begrenzt ausfallen.

Lediglich bei der Nutzung mittels Erdwärmekollektoren, erdberührten Bauteilen (Energiepfähle) und der Grundwassernutzung erfolgt die Abkühlung innerhalb des belebten Untergrundes. Hier können aufgrund der Bodenauskühlung im Winter  Verzögerungen des Pflanzenwachstums im Frühjahr auftreten. Dieser Effekt wird jedoch durch die Sonneneinstrahlung weniger Sonnenscheintage schnell wieder ausgeglichen.

Eine Abkühlung des Grundwassers durch den Einsatz von Erdwärme wäre in urbanen Gebieten sogar vorteilhaft, da hier die Grundwassertemperaturen durch anthropogene Einflüsse unnatürlich erhöht sind, zum Teil sogar in einem ökologisch bedenklichen Ausmaß.