Technik Geothermie. Herrenknecht AG

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1 Technik Geothermie Herrenknecht Slant Directional Drilling Rig (SDD) HK150CS. Dieses im Bohrwinkel verstellbare Bohrgerät eignet sich besonders für die Herstellung von schlanken Bohrungen in Anstellwinkeln von 8 bis 90 Grad, beispielsweise für die Erschließung von geothermischen Wärmequellen. Herrenknecht AG

2 Die Rolle der Tiefen Geothermie im deutschen Wärmemarkt: Technologie, Rahmenbedingungen, Status und Zukunft Der Markt der Tiefen Geothermie in Deutschland war vor Einführung der Einspeisevergütung für geothermisch erzeugte Energie im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im Jahr 2000 von Wärmeprojekten geprägt. Nach der Novellierung des Gesetzes und mit dem politischen Fokus, mehr Erneuerbare Energien in die Stromerzeugung zu integrieren, stellen die geothermischen Strom- und Kraft-Wärme-Kopplungs-Projekte die Treiber der Entwicklung auf dem Geothermiemarkt dar. Die Herausforderungen der geothermischen Stromproduktion insbesondere das Fündigkeitsrisiko hoher Temperaturen und Förderraten und die aktuelle klima- und gesellschaftspolitische Fragestellung zur regenerativen Gestaltung der Wärme- und Kälteerzeugung rücken die geothermische Wärmeerzeugung aktuell wieder in den Vordergrund. Der Wärmesektor trägt heute den größten Teil zum Endenergieverbrauch in Deutschland bei (Abb. 1). Neben weiteren zukunftsfähigen Optionen wie Power to heat aus regenerativem Strom, der Nutzung von industrieller Abwärme oder solarthermischer Energie steht die Erdwärme als grundlastfähige und nachhaltige Wärmequelle bereits kurzfristig dafür zur Verfügung. Technologie Das Potenzial der tiefengeothermischen Wärmenutzung in Deutschland ist beträchtlich [1, 2]. Aufgrund günstiger geologisch-geothermischer Verhältnisse werden für Deutschland im Wesentlichen drei große geothermische Provinzen ausgewiesen: der Oberrheingraben, das Süddeutsche Molassebecken und das Norddeutsche Becken. wärmesonde wird die Entzugsleistung durch eine höhere Fließgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums in der Sonde maximiert. Um einer dadurch zu erwartenden Temperaturabnahme entgegenzuwirken, wird bei halbgeschlossenen Systemen periodisch über mehrere Tage Wasser mit geringer Fließrate (ca. 1-3 l/s) an die Erdoberfläche gefördert. So ist eine Steigerung der nutzbaren Energiemenge um % im Vergleich zum geschlossenen System zu erwarten [4]. Anders als Erdwärmesondensysteme müssen offene geothermische Systeme auf die regionalen geologischen Verhältnisse zugeschnitten werden. Sie bieten aber die Möglichkeit, eine höhere thermische Leistung zur Verfügung zu stellen. Obwohl die theoretisch verfügbare Wärmemenge in diesen Gebieten sehr groß ist, bestimmt diese nicht die energiepolitische Bedeutung. Entscheidend ist vielmehr die praktisch umsetzbare Gewinnung, welche von vielen geologischen, technischen, wirtschaftlichen, raumplanerischen, ökologischen, gesellschaftlichen sowie klima- und energiepolitischen Faktoren abhängt. Übliche Nutzungskonzepte umfassen sowohl offene Systeme (hydrothermale, störungsbedingte und petrothermale Systeme) als auch geschlossene und halbgeschlossene Systeme in Form von Tiefen Erdwärmesonden. Die Erschließungstechnologien müssen den jeweiligen Standortbedingungen angepasst werden. Geschlossene bzw. halbgeschlossene Erdwärmesondensysteme sind fast überall nutzbar und ihre Anpassung an die Geologie weniger entscheidend. Da die Wärme bei einer geschlossenen Sonde nur über die kleine Fläche der Außenwand der Verrohrung übertragen wird, ist die Energieausbeute eines solchen Systems begrenzt [3]. Bei einer halbgeschlossenen Erd- Schoenmakers [14], nach AGEB [15] Strom 21% Verkehr 29 % Abb. 1 Struktur des Energieverbrauchs in Deutschland 2012 Wärme 50 %

3 Technik Geothermie Hydrothermale bzw. störungsbedingte Systeme nutzen das natürlich im Untergrund vorhandene Wasser als Wärmeträgermedium. Dabei wird Wasser über eine oder mehrere Produktionsbohrungen aus dem Untergrund gefördert und, nachdem ein Teil der darin gespeicherten Wärme entzogen wurde, über mindestens eine weitere Bohrung in den Untergrund reinjiziert. Dort wird das Wasser bei der Zirkulation durch das heiße Gestein wieder aufgeheizt. Ist die hydraulische Durchlässigkeit im Reservoir zu gering, können entweder Stimulationsmaßnahmen oder eine Verlängerung der Bohrstrecke im Reservoir in Betracht gezogen werden. Dies kann z. B. über eine Horizontalbohrstrecke innerhalb des Reservoirs geschehen, wodurch zusätzlich durchlässige Klüfte angeschlossen und so die mögliche Fördermenge entscheidend erhöht werden kann. Im Vergleich dazu nutzen petrothermale Projekte als Wärmequelle in der Regel das tiefe, kristalline Grundgebirge, welches natürlicherweise eine geringe bis sehr geringe hydraulische Durchlässigkeit besitzt. Sie verwenden dabei künstlich eingeführte Wärmeträgermedien (üblicherweise Wasser), um die im Gestein gespeicherte Wärme zu gewinnen. Das theoretische Konzept besteht aus der künstlichen Schaffung eines dreidimensionalen, verästelten Rissnetzes, über das die Wärme eines volumetrischen Untergrundbereichs entzogen werden kann. So können offene petrothermale Systeme erzeugt, aber auch hydrothermale Systeme optimiert werden In diesem Fall spricht man von Enhanced Geothermal Systems (EGS). Je höher die Temperatur in einem geothermischen Reservoir ist, desto mehr thermische Leistung steht, unabhängig vom jeweiligen Erschließungskonzept, potenziell zur Verfügung und desto mehr Anwendungsmöglichkeiten (direkte Wärmenutzung, Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplung) gibt es. Während für die wirtschaftliche geothermische Stromerzeugung Thermalwassertemperaturen oberhalb von ca. 120 C nötig sind, kön- nen für geothermische Wärmeprojekte bereits Temperaturen ab ca. 50 C sinnvoll genutzt werden. Ideal sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht ist dabei eine Kaskadennutzung zur Abnahme von Wärme unterschiedlicher Temperaturniveaus, für die verschiedenste potenzielle Wärmeabnehmer in Frage kommen (Abb. 2). Eine Kaskadennutzung bedeutet, dass die Rücklauftemperatur eines Hochtemperaturabnehmers als Vorlauf eines Niedertemperaturabnehmers verwendet wird und somit eine optimale Nutzung der verfügbaren Wärmemenge sichergestellt ist. In Deutschland existieren aktuell 33 tiefengeothermische Anlagen mit einer installierten Leistung von 281 MW th. Geothermische Wärmequellen können sowohl in ein existierendes als auch ein neues Fern- bzw. Nahwärmenetz eingebunden werden. Dabei eignen sich insbesondere Wärmenetze mit einer möglichst niedrigen Vorlauftemperatur (z. B. 60 C bei sogenannten Low-Ex-Netzen ). Während bei Fördertemperaturen oberhalb von ca. 90 C auch die Einbindung in bestehende Hochtemperaturwärmenetze möglich ist, ist bei geringeren Fördertemperaturen dafür eine Temperaturanhebung auf die notwendige Netzvorlauftemperatur nötig. Diese Anhebung kann entweder über Wärmepumpen oder über eine Zuheizung aus anderen, möglichst regenerativen Energiequellen realisiert werden. Die Wärmepumpen bieten den Vorteil, dass sie das Thermalwasser weiter auskühlen und somit die Ausnutzung des (erneuerbaren) geothermischen Potenzials verbessern. GeoThermal Engineering GmbH Temperatur 20 C 40 C 60 C 80 C 100 C 120 C 140 C 160 C Zementtrocknung Gewinnung / Verarbeitung von Steinen und Erden Chemische Industrie Hochtemperaturfernwärme Kühlung über Kältemaschinen Papierherstellung Frucht- und Gemüsetrocknung Maschinenbau Nahrungsmittelproduktion Niedrigtemperaturfernwärme Holztrocknung Textilindustrie Vorwärmen von Kesselwasser Gebäudeheizung Bäderbetrieb Gewächshausheizung Biomassetrocknung Aquakultur Kalte Fernwärme Eisschmelze Abb. 2 Wärmeabnehmer unterschiedlicher Temperaturniveaus

4 In der Regel ist ein Fernwärmeausbau ein gleitender Prozess. Prinzipiell besteht das Ziel darin, so viele Kunden wie möglich anzuschließen, um die Abhängigkeit von einzelnen Abnehmern zu minimieren. Ideal sind dabei Gewerbekunden mit möglichst konstanter Wärmenachfrage über das ganze Jahr, welche ab einer gewissen Größe meist auch einen Netzneubau rechtfertigen. Wichtig für den Projekterfolg ist eine gründliche Wärmesenken-Analyse, bei der definiert wird, wie die erwartete geothermische Wärmequelle zum lokalen Bedarf passt. Aufgrund der im Vergleich zu geothermalen Stromprojekten geringeren Temperaturanforderungen sind für die geothermische Wärmeversorgung bereits Reservoire ab etwa m Bohrtiefe nutzbar. Zudem orientieren sich die Anforderungen an die Produktionsraten an der Wärmeabnehmerstruktur und sind oftmals geringer als bei Stromprojekten. Bei einer relativ geringen benötigten Wärmemenge liegt der Schwerpunkt eher auf schlanken, schnell und verhältnismäßig günstig herstellbaren Bohrungen von maximal ca m Tiefe. Insgesamt liegen bei Wärmeprojekten somit häufig sowohl ein geringeres Fündigkeitsrisiko als auch ein geringeres technisches Risiko bei niedrigeren Bohrkosten vor. Rahmenbedingungen Im Gegensatz zu Stromprojekten, welche über das EEG mit einer garantierten Einspeisevergütung gefördert werden, stehen geothermische Wärmeprojekte immer in Konkurrenz zum Wärmepreis anderer, auch fossiler Erzeugungstechnologien. In An betracht der aktuell sinkenden Öl- und Gaspreise steht die Geothermie somit unter einem starken Wettbewerbsdruck. Prinzipiell können reine Wärmeprojekte am Wärmemarkt einen rentablen Preis in Konkurrenz zu fossilen Brennstoffen erzielen, wenn die Wirtschaftlichkeitserwartungen und Finanzierungen langfristig ausgelegt sind. Die möglichst optimale und ganzjährige Nutzung der verfügbaren Temperaturkaskade stellt dabei häufig den Schlüssel für die Wirtschaftlichkeit eines Geothermieprojekts dar. Da es sich jedoch um eine grenzwertige Wirtschaftlichkeit handelt, wird der staatlichen Förderung eine große Bedeutung für die Umsetzung von Tiefen Geothermievorhaben zur Wärmeversorgung zugemessen. Die Bundesregierung fördert reine Wärmeprojekte über das Marktanreizprogramm (MAP) des Bundesumweltministeriums (BMUB). Dabei besteht die Förderung aus der Bereitstellung von zinsgünstigen Darlehen durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) sowie die Gewährung von Tilgungszuschüssen für be - stimmte Projektkosten. Über die MAP-Förderung in der Investitionsphase hinaus würden die Förderung der Betriebsphase über die gesetzliche Festlegung eines Einspeisevorrangs oder einer Einspeisequote für erneuerbare Wärme und/oder eine garantierte Einspeisevergütung für erneuerbare Wärme einen entscheidenden Anreiz für geothermische Wärmeprojekte liefern. Der Aufbau von Wärmenetzen und der Anschluss von Kunden ist ein langwieriger und kostspieliger Prozess Entsprechende Anreize zum Wärmenetzausbau können diese Entwicklung ent- Geothermisches Informationssystem [7, 8] Km Standorte U Standort mit Nebennutzung I Stromerzeugung I Thermalbad / Balneologie I Forschung I Aquiferspeicher I Gebäudeheizung I CO 2 I ungenutzt O Standort ohne Nebennutzung I Fernwärme I Trink-/Brauchwasser I sonstige Abb. 3 Aktuelle Strom- und Wärmeprojekte in Deutschland, Stand: Februar 2016 scheidend voranbringen. In England wurde beispielsweise ein Einspeisebonus für erneuerbare Wärme inklusive Tiefer Geothermie eingeführt. Dies führt dazu, dass in England, wo Wärmenetze bislang unüblich sind, aktuell der Ausbau entsprechender Infrastrukturen vorbereitet wird (z. B. in Manchester). Dabei spielt die Geothermie wegen der Möglichkeit, eine hohe thermische Leistung bereitzustellen, die ausschlaggebende Rolle. Auch das Beispiel Dänemark mit der dort festgelegten hohen Besteuerung fossiler Brennstoffe zeigt, dass Instrumente wie eine CO 2 -Steuer sehr gut geeignet sind, um mehr erneuerbare und damit auch geothermische Wärmeversorgung auf den Markt zu bringen. Status Aktuell existieren in Deutschland 33 tiefengeothermische Anlagen (Tiefe Erdwärmesonden, Heizwerke und Heizkraftwerke) mit insgesamt 281 MW th installierter Leistung [5]. Hinzu kommen zahlreiche Projekte, die geothermische Wärme z. B. für balneologische Zwecke, Thermalbäder oder die Gebäudeheizung verwenden (Abb. 3). Dabei lag die Wärmebereitstellung aus Geothermie und Umweltwärme über hydrothermale Projekte und Wärmepumpen 2013/2014 nach einer Studie des BEE [6] bei 34 PJ/a

5 Technik Geothermie Statistische Zahlen des Geothermischen Informationssystems [7, 8] zeigen, dass die Entwicklung der installierten thermischen Leistung geothermischer Anlagen stetig steigend ist (Abb. 4). Ein Großteil der installierten Leistung entfällt hierbei auf das Süddeutsche Molassebecken. Der größte Zubau in den letzten Jahren war im Bereich der Fernwärmeversorgung, also der geothermischen Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen, zu verzeichnen. Stadtwerke München (SWM) in den nächsten Jahrzehnten in erster Linie auf die weitere Erschließung der Geothermie [11]. Eine in Bayern eingeführte Förderung des Wärmenetzausbaus für Geothermieprojekte wirkt unterstützend auf diese Entwicklung So sind in Gesamtbayern bereits rund 30 Geothermieprojekte in Betrieb oder im Bau [5]. Im Großraum München wurden bisher 15 Geothermieprojekte mit insgesamt 34 Tiefenbohrungen erfolgreich umgesetzt [12]. Dem Beispiel München könnten Städte wie Straßburg/Kehl, Mannheim, Ludwigshafen, Karlsruhe und Heidelberg leicht folgen: An diesen Standorten könnte aufgrund der günstigen geologischen Situation zusammen mit den bereits vorhandenen Wärmenetzen, die bislang mit fossilen Brennstoffen gespeist werden, ein großer Anteil des Wärmebedarfs über geothermische Wärme abgedeckt werden. Auch weitere Gebiete wie die Großräume Berlin und Hamburg sowie der nördliche Oberrheingraben weisen ähnliche gute Vorrausetzungen für eine geothermische Wärmeversorgung auf. Für eine beschleunigte Marktentwicklung im Bereich der Tiefen Geothermie ist in Zukunft insbesondere ein klares politisches Aufgrund einer günstigen geologischen Situation könnten zahlreiche Großstädte wie z. B. Mannheim, Karlsruhe oder Heidelberg einen Großteil ihres Wärmebedarfs über geothermische Wärme abdecken. Zukunft Langfristig werden der Klimawandel und die damit zusammenhängenden politischen Initiativen zur CO 2 -Reduzierung die Nutzung der Stein- und Braunkohle zurückdrängen, welche aktuell noch viele kommunale und private Wärmenetze mit KWK-Wärme versorgen. Nach aktuellem Stand der Technik haben vor allem hydrothermale bzw. störungsbedingte Systeme das Potenzial, perspektivisch über geothermische Wärmeerzeugung einen großen Teil der frei werdenden Kapazitäten zu ersetzen [9]. Dafür müssen jedoch die für die vorliegende oder zu entwickelnde Wärmeabnehmerstruktur passenden geologischen bzw. geothermischen Rahmenbedingungen am jeweiligen Standort vorhanden sein. Für Gebiete in Deutschland kann dort ein hydrothermales Potenzial ausgewiesen werden, wo Aquifere mit hohen Zuflussraten in relevanten Teufen- bzw. Temperaturbereichen potenziell auftreten. In Abbildung 5 sind entsprechende Gebiete zusammengestellt. Die dabei angelegten Kriterien für einen geeigneten Aquifer sind eine Mächtigkeit von mindestens 20 m, eine Porosität von > 20 % und einer Permeabilität von > 500 md [10]. Die Potenzialeinschätzung beruht auf einer Verschneidung des Temperaturmodells für Deutschland [7] mit der Lage des jeweils tiefsten auftretenden potenziellen Aquifers. Die Punkte symbolisieren vorhandene 300 Fernwärmenetze als wichtige potenzielle Wärmeabnehmer für Tiefe Geothermieprojekte. Ein hohes hydro- 250 thermales Potenzial zusammen mit bereits vorhandenen Wärmenetzen 200 oder einer hohen potenziellen Wärmeabnehmerdichte ergeben zusammen Vorzugsgebiete, für die bereits 150 innerhalb weniger Jahre eine wirtschaftliche Wärmeversorgung über 100 Geothermie bereitgestellt werden könnte. Das Beispiel München zeigt, wie 50 diese Strategie umgesetzt werden kann: Langfristig (bis 2040) soll die 0 bayerische Metropole die erste deutsche Großstadt werden, die ihre Fernwärme zu 100 % aus Erneuerbaren Geothermisches Informationssystem [7, 8] MW th Signal nötig, dass die Geothermie gewollt ist. Dies könnte beispielsweise durch eine Verbesserung der Rahmenbedingungen und der Planungssicherheit für Kommunen und Investoren erreicht werden. Dazu können zum einen bundespolitische Entscheidungen gehören wie z. B. die Vereinfachung von Genehmigungsverfahren, die Ausnahme von hydrothermalen Geothermieprojekten vom Anti-Fracking-Gesetz oder der UVP-Pflicht. So ruft die allgemeine UVP-Vorprüfung für Bohrungen mit einer Teufe über m ein Verbandsklagerecht hervor. Verbandsklagen können zu deutlichen Projektverzögerungen von zwei bis drei Fernwärme Thermalbad/Balneologie Gebäudeheizung sonstige Energien gewinnt. Dazu setzen die Abb. 4 Statistische Entwicklung der installierten Wärmeleistung in Deutschland bis

6 GeoThermal Engineering GmbH, nach Schulz et al. [10] und AGFW [16] Erreichbare Temperatur [ C] vermutet Abb. 5 Deutschlandkarte der Gebiete mit hydrothermalem Potenzial unter Angabe der erreichbaren Temperatur und den vorhandenen Fernwärmenetzen Jahren und in der Folge zu Mehrkosten in Millionenhöhe führen, was sich aufgrund dieser Unsicherheit hemmend auf die Investitionsbereitschaft auswirken kann [13]. Die Rahmenbedingungen bzgl. Investitionskosten, Fündigkeitsrisiko und Abnehmerstruktur führen dazu, dass die Bedeutung der Tiefen Geothermie in Deutschland in Zukunft voraussichtlich statt in der Stromerzeugung mehr im Wärme- und Kältemarkt liegen wird. Um die Bedeutung der Tiefen Geothermie in Deutschland zu vergrößern und ihr erhebliches Potenzial für den Wärmemarkt ausschöpfen zu können, müssen sowohl die Erschließungstechnologien für diesen Markt weiterentwickelt und effizienter werden als auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen entsprechend strukturiert werden. Danksagung Einige Inhalte dieses Artikels entstammen den Arbeiten zu einer im Auftrag des Umweltbundesamts (UBA) durchgeführten Studie mit dem Titel Kommunaler Klimaschutz durch Verbesserung der Effizienz in der Fernwärmeversorgung mittels Nutzung von Niedertemperaturwärme am Beispiel tiefengeothermischer Ressourcen unter Beteiligung der GeoThermal Engineering GmbH, der Hamburg Institut Consulting GmbH und dem Solites Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme (FKZ , Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit). Literatur [1] Kayser M, Kaltschmitt M (1998) Potentiale hydrothermaler Erdwärme in Deutschland. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendungen, Universität Stuttgart. [2] Paschen H, Oertel D, Grünwald R (2003) Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland. Büro für Technikfolgen- Abschätzung beim Deutschen Bundestag, Arbeitsbericht 84. [3] Kruk C, Lo R, Eltrop L, Walker-Hertkorn S, Orywall P, Kölbel T (2009) Nutzung der Tiefengeothermie in Stuttgart Durchführung von Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Schlussbericht, Zentrum für Energieforschung Stuttgart, 85 S. [4] Law R (2015) Geon - Low carbon, low risk heat. Firmenprospekt Geothermal Engineering Ltd, ARUP, Vereinigtes Königreich. [5] BVG Bundesverband Geothermie (2016) Tiefe Geothermieprojekte in Deutschland. Projektliste des Bundesverbands für Geothermie. Projekte/Projektliste_Tiefe_Geothermie_2015.pdf. Stand Oktober 2015; aufgerufen am [6] BEE (2014) GROKO-II Szenarien der deutschen Energieversorgung auf der Basis des EEG-Gesetzentwurfs - insbesondere Auswirkungen auf den Wärmesektor. Kurzexpertise für den Bundesverband Erneuerbare Energie e.v., 63 S. [7] Agemar T, Alten J, Ganz B, Kuder J, Kühne K, Schumacher S, Schulz R (2014a) The Geothermal Information System for Germany - GeotIS ZDGG Band 165, 2, [8] Agemar T, Weber J, Schulz R (2014b) Deep Geothermal Energy Production in Germany. Energies 7, 7. [9] Greller M, Bieberbach F (2015) Entwurf eines technischen und ökologischen Strukturwandels in der Fernwärmeversorgung. Energiewirtschaftliche Tagesfragen 65/8, [10] Schulz R, Suchi E, Öhlschläger D, Dittmann J, Knopf S, Müller C (2013) Geothermie-Atlas zur Darstellung möglicher Nutzungskonkurrenzen zwischen CCS und Tiefer Geothermie Endbericht. Leibniz- Institut für Angewandte Geophysik, Hannover. [11] SWM (2015) Stadtwerke München: Gestalter der Wärmewende Fernwärme 100 Prozent erneuerbar. Informationsbroschüre über [12] Thema Geothermie Tiefe Geothermie ; aufgerufen am [13] Stahl L (2016) Umweltverträglichkeitsprüfung von Geothermieprojekten Contra. Geothermische Energie 83, 2016/1, 8-9. [14] Schoenmakers J (2014) Die Energiewende - Ziele, Bereiche und Ist-Stand. Workshop Welche Energiewende wollen wir? GESW e.v., FES-Ehemalige e.v., [15] AGEB - Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (2013): Energiebilanz der Bundesrepublik Deutschland [16] AGFW - Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.v. (2013): AGFW-Hauptbericht Frankfurt a. M. Autoren Dr. Horst Kreuter Christina Baisch Dr. Dorothea Reyer GeoThermal Engineering GmbH Baischstr Karlsruhe Tel.: Fax: info@geo-t.de