Der Begriff Regenerationszeit spielt in der Geothermie an verschiedenen Stellen eine Rolle, insbesondere schon deshalb, weil Geothermie eine erneuerbare, also regenerative Energie ist. Problematisch ist diese Wortwahl dadurch, dass Energie, nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, weder erzeugt noch verbraucht und so auch nicht erneuert oder regeneriert werden kann.
Diese Begriffe haben sich jedoch so eingeprägt, dass z.B. im Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) einer Definition ausgewichen und eine pragmatische Vorgehensweise benutzt wird. Die aktuelle Definition findet sich in § 3 Nummer 21 EEG. Demnach sind Erneuerbare Energien Energieträger, die im Verhältnis zur menschlichen Zeitrechnung kontinuierlich verfügbar sind oder sich verhältnismäßig schnell regenerieren. Es reicht also die kontinuierliche Verfügbarkeit aus. Diese muss nicht an einem vorgegebenen Ort sein, sondern kann durchaus großräumiger gesehen werden.
Die dem Boden beim Betrieb einer Geothermieanlage entnommene Wärmeenergie geht weit über die Regenerationsfähigkeit hinaus, es kann (zumindest bei Tiefengeothermie) Jahrzehnte bis Jahrhunderte dauern, bis die Untergrundtemperatur nach Ende des Anlagenbetriebs regeneriert ist. Daher ist es wichtig, dass durch technische Maßnahmen (thermische Bewirtschaftung) ein möglichst langfristiger wirtschaftlicher Betrieb der Anlage gewährleistet wird.
Geothermie nutzt die im Boden gespeicherte Energie. Wenn man dem Boden Wärme entzieht (z. B. durch eine Erdwärmesonde), kühlt sich die unmittelbare Umgebung der Sonde ab. Es entsteht eine räumliche Temperatursenke. Die Abkühlung ist erforderlich, damit Wärmeenergie aus dem Umgebungsmaterial nachgeführt wird. Das erfolgt durch:
Hier spielt der saisonale Zyklus eine große Rolle. Im Sommer regeneriert sich die Bodentemperatur durch Sonneneinstrahlung und versickerndes Regenwasser. Moderne Systeme nutzen im Sommer natürliche Kühlung oder die Umkehrfunktion einer Wärmepumpe zum Kühlen von Gebäuden. Dabei wird überschüssige Wärme in den Boden zurückgeführt, was die Regenerationszeit massiv verkürzt.
Wird die Regenerationszeit missachtet, droht eine thermische Erschöpfung des Untergrunds:
Mangelnde Regeneration führt zu einer Auskühlung des Bodens, wodurch die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) am Eingang der Wärmepumpe im Verlauf absinkt mit folgenden Konsequenzen:
Um eine ausreichende Regeneration sicherzustellen, werden in der Fachplanung verschiedene Strategien angewandt:
Maßnahme | Effekt |
Sondenlänge | Die Länge der Erdwärmesonde(n) wird nach Simulationsrechnung in Abhängigkeit von der Wärmelast und der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes so gewählt, dass auch nach 25 Jahren Betriebszeit eine für den wirtschaftlichen Betrieb ausreichende Soletemperatur gewährleistet ist. |
Sondenabstand | Verhindert, dass sich die Entzugsbereiche mehrerer Sonden gegenseitig beeinflussen. |
Active Cooling | Wärme aus Gebäuden wird im Sommer aktiv in den Boden geleitet (Saisonaler Speicher). |
Solarthermie-Kopplung | Überschüssige Solarwärme wird zur Regeneration in das Sondenfeld eingespeist. |
In Hochenthalpieprojekten ist in der Regel der Wärmezufluss aus oberflächennahen Wärmequellen (Magma) so groß, dass Regeneration keine Rolle spielt. Diese Lagerstätten erschöpfen sich eher durch die Wasserentnahme und es müssen Vorkehrungen getroffen werden, der Formation ausreichend Wasser wieder zuzuführen (recharge).
In der hydrothermalen Geothermie wird dem genutzten Reservoir Wärme nicht nur durch den terrestrischen Wärmestrom zugeführt, sondern auch durch den Zufluss von Thermalwasser aus der weiteren Umgebung. Dieser Zufluss kann durch die Förderung und Reinjektion im Zuge der Wärmegewinnung beeinflusst werden. Bei einer zu hohen Entnahmeleistung könnte das Reservoir dennoch langfristig auskühlen und so unwirtschaftlich werden.
In diesem Zusammenhang kann dann auch über einen thermischen Durchbruch oder Kurzschluss gesprochen werden, wenn das kalte reinjizierte Wasser die Förderbohrung erreicht.
Bei der Anlagenplanung wird durch Simulationsrechung der Abstand von Förder- und Reinjektionsbohrung so gewählt, dass ein thermischer Durchbruch erst ab einer Betriebszeit von 30 Jahren erfolgen kann. Die dann einsetzende Abnahme der Fördertemperatur erfolgt aber nicht schlagartig, sondern allmählich, so dass das Wärmenetz eine gewisse Zeit weiterhin über die Wärmepumpe (mit allerdings verringerter Jahresarbeitszeit) betrieben werden kann.
Eine Stilllegung und anschließende Regenerationspause müsste wahrscheinlich einige hundert Jahre dauern, es sei denn, Thermalwasserzufluss spielt eine entscheidende Rolle und kann diese Zeit wesentlich abkürzen. Bei einer angemessenen Bewirtschaftung überlappen sich Gewinnung und Regeneration, so dass eine Reservoirauskühlung vermieden wird.
Geschlossene Systeme regenerieren sich nur durch Wärmeleitung. Wenn die Förderleistung über dem terrestrischen Wärmestrom liegt, wird die Umgebung des unterirdischen Wärmeübertragers langfristig auskühlen und die Anlage wird nach einigen Jahrzehnten Betrieb unwirtschaftlich werden. Hier werden dann Regnerationszeiten notwendig, die sicher einige hundert bis tausend Jahre betragen werden. Praxiserfahrungen liegen nicht vor. Eine hydraulisch nicht ganz dichte Umgebung des Wärmeübertragers kann die Situation stark beeinflussen.
Erfahrungen aus der Praxis
In deutschen Geothermieprojekten sowohl in der Bayerischen Molasse als auch im Oberrheingraben ist es trotz langer Betriebszeit (Landau seit 2007) bisher nicht zu einer nennenswerten Abkühlung des Reservoirs gekommen, so dass in Deutschland Regenerationszeiten in der Tiefen Geothermie kaum diskutiert werden. Auch ein thermischer Kurzschluss wurde noch nirgendwo beobachtet. In Waren an der Müritz ist seit 1984 eine Geothermieanlage zur Wärmeproduktion in Betrieb. Dies zeigt, dass die geothermische Ressource nachhaltig über Jahrzehnte genutzt werden kann.
Die Berechnung der Regenerationszeit für ein tiefengeothermisches Reservoir ist ein komplexes Problem der instationären Wärmeleitung. Da in vier Kilometern Tiefe die Wärmeleitung (Konduktion) der dominierende Prozess ist, nutzt man in der Modellierung häufig die Wärmeleitungsgleichung.
Für eine überschlägige Betrachtung eines Reservoirs betrachtet man das Gestein als thermischen Speicher und in diesem Beispiel ein Volumen von 6 x 6 x 4 km und eine Entzugsleistung von 20 MWth über 30 Jahre.
Die physikalische Grundlage
Die grundlegende Gleichung für die zeitliche Veränderung der Temperatur im Gestein lautet:
Dabei ist alpha die Temperaturleitfähigkeit (Diffusivität) des Gesteins, die sich aus der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität zusammensetzt:
Abschätzung der thermischen Diffusionszeit
Eine gängige Methode, um die zeitliche Größenordnung der Regeneration abzuschätzen, ist die Berechnung der charakteristischen Zeit, die die Wärme benötigt, um eine bestimmte Distanz L durch reine Leitung zu überbrücken:
Beispielrechnung für L = 1.000 m
Bilanzierung der Wärmemenge (Nachfluss vs. Entnahme)
Um zu berechnen, wie lange es dauert, bis der terrestrische Wärmestrom das Reservoir wieder „aufgefüllt“ hat, nutzt man die Energiebilanz.
Wenn das Kraftwerk beispielsweise 20 MW thermische Leistung entnimmt, aber nur 2,34 MW von unten nachfließen, wird das Reservoir, wenn wir nur die Regneration durch Wärmeleitung sehen, unweigerlich kälter. Die theoretische Regenerationszeit für die entnommene Energiemenge wäre dann:
Wird 30 Jahre lang entnommen, betrüge die Zeit zur rein rechnerischen Wiederauffüllung der Energiebilanz:
Einschränkung der Berechnung
In der Realität ist die Berechnung komplizierter, da:
Für präzise Vorhersagen nutzt man numerische 3D-Modelle (z. B. FEFLOW oder TOUGH2), die das spezifische Schichtmodell des Standorts abbilden.
Teilweise Gemin, überarbeitet
Zu Literatur siehe:
zuletzt bearbeitet April 2026, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
