Tiefe Geothermie
Was ist Tiefe Geothermie?
In der Arbeitshilfe der staatlichen Geologischen Dienste zur Tiefen Geothermie wird diese wie folgt definiert:
"Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (VDI-RICHTLINIE 4640). Synonyme sind Erdwärme oder auch Geothermie."
"Die tiefe Geothermie umfasst Systeme, bei denen die geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird und deren Energie direkt (d.h. ohne Niveauanhebung) genutzt werden kann."
Durch die Definition wird die tiefe Geothermie von der oberflächennahen Geothermie abgegrenzt, bei der die geothermische Energie dem oberflächennahen Bereich der Erde (meist bis 150 m, max. 400 m, vgl. VDI-Richtlinie 4640) entzogen wird, z.B. mit Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Grundwasserbohrungen oder Energiepfählen. Bei dieser Abgrenzung beginnt die tiefe Geothermie bei einer Tiefe von mehr als 400 m und einer Temperatur von mehr als 20 °C . Von tiefer Geothermie im eigentlichen Sinn sollte man aber erst bei Tiefen von über 1000 m und bei Temperaturen über 60 °C sprechen. Es sei aber darauf hingewiesen , dass die Übergänge zwischen den einzelnen Systemen fließend sind."
Erdwärme
Erdwärme steht generell überall und jederzeit zur Verfügung. Bei sachgerechter Bewirtschaftung ist sie praktisch unerschöpflich. Zu einem geringeren Teil (~30%) entstammt die Erdwärme der Gravitationswärme aus der Entstehung der Erde vor 4,5 Mrd. Jahren, der größere Teil (~70%) ist auf den radioaktiven Zerfall von Uran-, Thorium- und Kaliumisotopen in der Erdkruste zurückzuführen. Die Temperatur steigt mit der Tiefe im Mittel um 3 °C pro 100 m an. Die Temperaturzunahme pro Teufenabschnitt wird als Temperaturgradient bzw. geothermischer Gradient bezeichnet und in mK/m gemessen, was der Angabe °C pro km entspricht. Dieser Gradient wird durch den Wärmestrom aus der Tiefe an die Erdoberfläche verursacht. Die Wärmestromdichte beträgt in Deutschland durchschnittlich etwa 70 mW/m².
Wie wird Erdwärme erschlossen?
Die Erschließung tief liegender Erdwärme ist mit Ausnahme tiefer Erdwärmesonden eine direkte Nutzung ohne Wärmepumpen, d.h. hier wird bei der sogenannten hydrothermalen Nutzung in großen Tiefen natürlich vorhandenes Thermalwasser oder bei petrothermalen Systemen (Hot Dry Rock -HDR-, auch als Enhanced Geothermal Systems, EGS, bezeichnet) künstlich eingebrachtes, aufgeheiztes Wasser an die Erdoberfläche gepumpt und dient sowohl der Stromerzeugung als auch der direkten Beheizung von Gebäuden (Fernwärme), siehe auch Faltblatt "Nutzung tiefer Geothermie in Hessen".
Welche Temperaturen liegen vor?
In weiten Teilen Hessens beträgt die durchschnittliche Untergrundtemperatur in 1000 m Tiefe 40-50 °C, während in der gleichen Tiefe im hessischen Teil des Oberrheingrabens (hessisches Ried) Temperaturen bis zu 90°C vorherrschen. In 3000 m Tiefe stehen durchschnittlichen Temperaturen von 110 bis 130°C im Normalfall 150°C und darüber im Oberrheingraben gegenüber. Der Oberrheingraben ist somit die einzige geologische Struktur in Hessen, in der nach jetzigem Wissensstand wegen eines erhöhten geothermischen Gradienten eine Nutzung der hydrothermalen Geothermie für die geothermische Stromerzeugung wirtschaftlich aussichtsreich ist, da hier die erforderlichen Temperaturen von mindestens 100°C bereits ab ca. 2000 m Tiefe erreichbar sind (siehe Karte geologische Strukturräume mit nachgewiesenem und vermutetem tiefengeothermischen Potenzial in Hessen).
Nutzungsarten der Tiefen Geothermie
Tiefengeothermisches Potential in Hessen
Wichtig für die hydrothermale geothermische Nutzung ist jedoch nicht nur die Temperatur, sondern auch die natürliche Gebirgsdurchlässigkeit, damit eine möglichst hohe Förderrate ohne starke Absenkung des Wasserspiegels realisiert werden kann.
Oberrheingraben
Im Oberrheingraben sind relativ gute Durchlässigkeiten der in Tiefen ab 2000 m als Zielhorizont in Betracht kommenden Sedimente und Vulkanite des Rotliegend zu erwarten, so dass das Oberrheingebiet das höchste tiefengeothermische Potenzial in Hessen besitzt. Zudem ist hier die Datenlage durch zahlreiche Tiefbohrungen und Ergebnisse seismischer Untersuchungen aus der Erdöl-/Erdgaserschließung recht gut.
Übriges Hessen
Aber auch im übrigen Hessen ist eine tiefengeothermische Nutzung nicht ausgeschlossen. In Bereichen tektonischer Störungen können Thermalwässer in tief reichenden Zirkuationssystemen konvektiv aus der Tiefe aufsteigen und so zusätzlich zur reinen Wärmeleitung des Gesteins (Konduktion) höhere Untergrundtemperaturen als in ungestörten Gebieten bewirken. Die Karte zeigt, dass die Thermalwasservorkommen entlang des Taunus z.B. an die Taunussüdrandstörung und ihre Querstörungen gebunden sind.
Im Bereich der Niederhessischen Senke gibt es trotz sehr spärlicher Daten Anhaltspunkte für Thermalwasseraufstiege, so beispielsweise in Bad Salzhausen. Auch hier können tief reichende, teilweise junge aktive Störungssysteme ähnlich wie im Oberrheingraben Aufstiegswege für Thermalwässer bilden. Die Regionen von Vogelsberg und Westerwald-Dillmulde können theoretisch ebenfalls ein erhöhtes Potenzial aufweisen. Tertiärer Vulkanismus, CO2-Aufstiege und die Vergitterung von Störungssystemen sind Anhaltspunkte hierfür. Allerdings ist hier die Datenlage noch schlechter als in der Niederhessischen Senke.
Schließlich kommt für tiefe Bereiche mit kristallinen Gesteinen (Granite, Gneise), die primär nur sehr wenig wasserwegsam sind, in weiterer Zukunft auch das bis jetzt noch nicht großtechnisch etablierte HDR (Hot Dry Rock)-Verfahren in Betracht. Bei entsprechenden Bohrtiefen (ab ca. 4.500 m) können künstliche Rissysteme im Gestein durch mit hohem Druck eingepresstes Wasser ("hydraulic fracturing", "fracing") erzeugt werden und ein tiefengeothermisches Reservoir schaffen.
Detailliertere Potenzialabschätzung
In dem durch das HMUKLV beauftragten Forschungs- und Entwicklungsprojekt "3-D-Modell der geothermischen Tiefenpotenziale in Hessen" wird vom Institut für angewandte Geowissenschaften IAG der TU Darmstadt und dem HLNUG gemeinsam einer detailliertere Potenzialabschätzung vorgenommen.
Informationen über hessische Tiefbohrungen
Nachweisdaten und Informationen zum Zugang zu Detaildaten der hessischen Tiefbohrungen erhalten Sie im Rahmen des Verbundes Kohlenwasserstoffgeologie über den NIBIS-Kartenserver des Landesamtes für Bergbau, Geologie und Energie Niedersachsen (LBEG).
Die KW-Bohrungsdatenbank des LBEG enthält Titel- und Fachdaten von über 30.000 Bohrlöchern. Neben KW-Explorations- und Produktionsbohrungen sind darin auch zu anderen Zwecken niedergebrachte Tiefbohrungen sowie Versenkbohrungen enthalten.
Im NIBIS-Kartenserver wählen Sie als Grundkarte am besten die „OpenStreetMap Welt farbig“ und zoomen mit Mausrad nach vorne das Gebiet von Hessen heran. Durch Klick auf die Bohrung erhalten Sie Informationen.
Die Hessische Energiepolitik hat sich nach Angaben des Hessischen Ministeriums für Landwirtschaft und Umwelt, Weinbau, Forsten, Jagd und Heimat (HMLU) zwei konkrete Ziele gesetzt:
- den Endenergieverbrauch bis 2020 um ein Fünftel zu senken und zwar durch Minimierung des Primärenergieeinsatzes und die rationelle Energienutzung und
- den Anteil an erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch erheblich zu erhöhen. Die erneuerbaren Energien sollen bis zum Jahr 2020 einen Anteil von 20 % am Endenergieverbrauch (ohne den Verkehrssektor) einnehmen.
Zur Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien ist eine stärkere Nutzung der Solarenergie, der Biomasse, der Wasser- und Windkraft sowie der Erdwärme erforderlich. Um das Ziel "20 Prozent aus erneuerbaren Energien" zu erreichen, müssen 21 Terawattstunden pro Jahr aus Sonne, Wind, Biomasse, Wasserkraft und Geothermie gewonnen werden. Dabei liegt das Ausbauziel für die Geothermie bei 1 TWh/a.
Bereits im Jahr 2005 stellte der hessische Landtag fest, dass insbesondere im Bereich des hessischen Oberrheingrabens das Potenzial besteht, um mit Tiefer Geothermie Strom erzeugen zu können und forderte die Landesregierung auf, die Potenziale der Geothermie im hessischen Oberrheingraben systematisch zu erfassen und gemeinsam mit den relevanten Akteuren in Wissenschaft und Wirtschaft der benachbarten Bundesländer und des Bundes ein Konzept zur Nutzung der Geothermie im Oberrheingraben zu erarbeiten. Grundlage für diese Einschätzung war der Sachstandsbericht des Bundestags-Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung zu den "Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland" vom Februar 2003 (TAB-Arbeitsbericht Nr. 84, Paschen et al. 2003).
Das daraufhin gegründete hessische "Kompetenznetzwerk Tiefe Geothermie" (mit Mitgliedern aus dem Wirtschafts-und Umweltressort, dem HLNUG, der Bergbehörde beim RP Darmstadt, HessenEnergie sowie dem Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt und der Hochschule Darmstadt) gelangte zur Überzeugung, dass nicht nur der Oberrheingraben, sondern ganz Hessen in die Betrachtungen einzubeziehen sei und dass in ganz Hessen eine Potenzialbewertung sowohl hinsichtlich der Stromerzeugung mit Tiefer Geothermie, als auch der Wärmenutzung unter intensiver Auswertung vorhandener und neu zu erhebender Daten sinnvoll sei. Hierbei sollten alle Nutzungsarten (hydrothermale Nutzung, petrothermale Nutzung und tiefe Erdwärmesonden) berücksichtigt werden. Die auf diesen Seiten dargestellten Informationen sind ein Resultat dieser Auswertungen.
Zur Information und dem Erfahrungsaustausch von Fachleuten, der Öffentlichkeit und von Entscheidungsträgern aus Politik und Wirtschaft findet seit 2006 jährlich ein Tiefengeothermieforum mit begleitender Fachausstellung statt.
Genehmigungsverfahren, Hinweise zur Planung
Bei der Planung von Tiefengeothermieprojekten ist es unerlässlich, schon in der Frühphase ein Konzept zu der geplanten Geothermie-Nutzung, wie z. B. Zielhorizont, Erschließungsart, Stromgewinnung, Wärme-/Kältegewinnung etc., zu den möglichen Abnehmern und zur benötigten Infrastruktur zu erstellen.
Geothermisches Potenzial: Projekt Hessen 3D
Das Modell soll anschauliche Informationen zum tiefengeothermischen Potenzial und zur Ausbildung des tieferen Untergrundes von Hessen als Information für die Öffentlichkeit, für politische Entscheidungsträger, für Investoren aus der Wirtschaft und insbesondere in der Frühphase der Planung tiefengeothermischer Projekte auch für Fachplaner bereitstellen.
Projekt: Erdwärmesonde Heubach
In Groß-Umstadt-Heubach wird seit 2011 ein vom Hessischen Landwirtschaftsministerium (HMLU) gefördertes Forschungs- und Entwicklungsprojekt der HEAG Südhessische Energie AG (HSE) zur Nutzung der Geothermie mit einer fast 800 m tiefen Erdwärmesonde betrieben.
Projekt: Überlandwerke Groß-Gerau GmbH
Seit dem Jahr 2007 betrieben die Überlandwerke Groß-Gerau GmbH (ÜWG) ein Projekt zur Gewinnung von Strom und Wärme aus einer bis zu 4.000 m tiefen Dublette (Förder- und Injektionsbohrung), die das hydrothermale Reservoir im Rotliegenden erschließen sollte.
Geothermie-Viewer Hessen
Tiefe Geothermie
Die Kartendarstellungen für die Tiefengeothermie beruhen auf dem "3-D-Modell der geothermischen Tiefenpotenziale in Hessen" ("Hessen 3 D"), das in Zusammenarbeit von HLNUG und TU Darmstadt (Institut für Angewandte Geowissenschaften), mit Förderung des hessischen Landwirtschaftsministeriums (HMLU) erstellt wurde.
Folgende Themenlayer stehen zur Tiefen Geothermie zur Verfügung:
Durch Klick auf das Kartensymbol wird die Karte aufgerufen.
Lage von Vertikalschnitten mit Geologie sowie hydrothermalem und petrothermalem Potenzial. Durch Klick auf die Schnittlinie können die Vertikalschnitte abgerufen werden.
Mehrere Themenlayer mit auf unterschiedliche Tiefenniveaus bezogenen Horizontalschnitten zur Geologie (geologischen Übersichtskarten)
Mehrere Themenlayer mit den Oberflächen ("Top") stratigrafischer Einheiten, die die Basis für die geothermische Potenzialermittlung im 3-D-Modell darstellen.
Mehrere Themenlayer mit flächenhaften Darstellungen und Isolinien der Temperatur in verschiedenen Tiefenniveaus
Mehrere Themenlayer mit flächenhaften Darstellungen des hydrothermalen und des petrothermalen Potenzials in verschiedenen Tiefenniveaus