Wärme für Leipzig, Teil 8: Übersicht zur Nutzung von Geothermie als Wärmequelle

Geothermie bezeichnet die Nutzung der in der Erdkruste gespeicherten Wärmeenergie. Diese Wärme stammt sowohl aus dem radioaktiven Zerfall von Elementen im Erdinneren als auch aus dem ursprünglichen Wärmevorrat der Erde. Sie steht ganzjährig, nahezu unbegrenzt und unabhängig von Wetter oder Tageszeit zur Verfügung und stellt somit eine zuverlässige und klimafreundliche Energiequelle dar.

Je nach Tiefe und Temperatur des genutzten Wärmereservoirs wird Geothermie in drei Hauptkategorien unterteilt:

A. Oberflächennahe Geothermie: Diese umfasst die Nutzung von Erdwärme bis zu einer Tiefe von etwa 400 Metern. Die Temperaturen liegen hier meist zwischen 8 °C und 20 °C. Typische Anwendungen sind Erdwärmesonden,Erdwärmekollektoren oder Grundwasser-Wärmepumpensysteme, die vor allem für die Beheizung von Gebäuden oder die Warmwasserbereitung eingesetzt werden.

B. Mitteltiefe Geothermie: Dieser Bereich liegt etwa zwischen 400 und 1.500 Metern Tiefe. Die Temperaturen können bis zu 60 °C erreichen. Die mitteltiefe Geothermie bietet sich sowohl für die Wärmeversorgung größerer Gebäude oder Quartiere als auch für die Einbindung in Nahwärmenetze an, sofern die geologischen Bedingungen dies zulassen.

C. Tiefe Geothermie: Ab einer Tiefe von etwa 1.500 Metern spricht man von tiefer Geothermie. Hier können Temperaturen von über 100 °C erreicht werden, was neben der Wärmeerzeugung auch eine Nutzung zur Stromproduktion ermöglicht. Tiefe Geothermie erfordert aufwändigere Bohr- und Fördertechniken, bietet jedoch ein hohes Energiepotenzial, insbesondere für Fernwärmesysteme oder industrielle Anwendungen.
Vor- und Nachteile von Geothermie Umweltfreundlich Hohe Initialkosten Wetterunabhängig Standortabhängig Wartungsarm Seismische Risiken

Zu A. Wärmequelle Oberflächennahe Geothermie

Die gespeicherte Erdwärme wird durch Luft-, Sohle- oder Wasserzirkulation in Leitungen/Bohrungen angesaugt und mithilfe einer Wärmepumpe im Temperaturniveau angehoben zur Nutzung für Heizungsanlagen oder zur Stromerzeugung. Immer häufiger wird Umgebungswärme aus Erdreich, Grundwasser und Umgebungsluft oder Abwärme durch Einsatz von Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden genutzt.

Was ist Umgebungswärme?

Umgebungswärme umfasst sowohl Umweltwärme aus oberflächennahen Bodenschichten, aus dem Grundwasser als auch von Oberflächengewässern wie Flüssen, Seen oder Abwasserkanälen. Oberflächennahe Geothermie in Verbindung mit Wärmepumpen wird zunehmend zur Beheizung von Einzelgebäuden genutzt, aber es können auch durch ein sogenanntes kaltes Wärmenetz größere Wohneinheiten, Bürogebäude oder Industriebauten auf diese Weise versorgt werden.

Oberflächennahe Verlegung von Aufwärmleitungen

Wenn größere unbebaute und unversiegelte Flächen oder Grundstücke vorhanden sind, kann die Verlegung der Aufwärme- und Ansaugleitungen großflächig bis 2 m unter der Bodenoberfläche schlangenförmig erfolgen.

Die angewärmte Luft wird durch die Wärmepumpe angesaugt und diese Luft mittels Strom auf ein höheres Temperaturniveau komprimiert zur Nutzung für Heizungszwecke. Die Verlegung dieser oberflächennahen Leitungen kann in Eigenleistung des Bauherren oder in dessen Auftrag durch eine Tiefbaufirma ausgeführt werden und die Kosten halten sich dadurch in Grenzen.

Erdsonden/Erdbohrungen bis 100 m Tiefe oder tiefer

Sind weniger freie Fläche vorhanden, werden Bohrsonden bis 100 m Tiefe eingebracht. Je tiefer gebohrt werden muss, desto teurer sind die Erschließungskosten. Diese Bohrarbeiten müssen durch ein Spezialunternehmen durchgeführt werden, kosten normalerweise mehrere Tausend Euro und müssen vorfinanziert werden.

Nach Aussage unter Pkt. 4.3.1.3. der Kommunalen Wärmeplanung (KWP, Seite 39) erscheint „die Nutzung dieser Variante wirtschaftlich sinnvoll, insbesondere in Stadtteilen mit günstigen Bohrkosten (zwischen 80 und 100 Euro pro Bohrmeter) und ausreichender Freiflächenverfügbarkeit.“

Bei grundstücksübergreifender Erdwärmenutzung und bei Bohrtiefen von über 100 m (je nach Bundesland) müssen das Berg- und Lagerstättenrecht beachtet und müssen Genehmigungen eingeholt werden.

Eine Zufahrt und Standfläche sind erforderlich, damit die Bohrfahrzeuge auf die geeigneten Flächen fahren können. Die Erdsonden müssen nicht nur im eigenen Garten, sondern können auch an geeigneten Stellen im Stadtgebiet, niedergebracht werden. Das kann ein Erdwärme-Sondenfeld sein im Bereich von Grün- oder am Rande von Parkanlagen oder aber auch dezentral verteilte Erdsonden, z. B. entlang von Straßen, sind denkbar.

Dafür werden zwei Leitungsstränge benötigt, einen für die zugeführte relativ warme Sole und einen für die zurückgeleitete kalte. Bei dieser wird in einem Kreislauf über eine Erdsonde die Sole (Wasser plus Frostschutz) auf ca. 10–15°C erwärmt. Im Gebäude wird der Sole mithilfe einer Sole-Wasser-Wärmepumpe die enthaltene Wärmeenergie entzogen und auf Heiz- und Brauchwassertemperatur gehoben. Die abgekühlte Sole fließt zurück zur Erdsonde und nimmt wieder Wärme aus dem Bodenbereich auf.

Im gleichen Prinzip arbeitet auch die Bodenwasserwärmepumpe.

Es wird durch mindestens zwei Bohrungen eine wasserführende Schicht angebohrt. Das Wasser wird durch die Wärmepumpe über einen Wärmetauscher auf ein höheres Temperaturniveau komprimiert zur Wärmeversorgung. Das abgekühlte Wasser wird dem Wasserkreislauf wieder zugeführt. Das Anbohren von Grundwasserleitern oder wasserführenden Schichten muss der unteren Wasserbehörde bei der Gemeinde angezeigt werden. Es ist eine Probebohrung zur Kenntnis des Untergrundes erforderlich, was zusätzliche Kosten verursacht und eingepreist werden muss.

Nach Aussage im Entwurf zur Kommunalen Wärmeplanung für die Stadt Leipzig (KWP) Pkt. 4.3.2. Seite 43, wäre eine Entnahme und Wiedereinleitung von Grundwasser für thermische Zwecke im Leipziger Stadtgebiet, insbesondere im Norden und Nordosten, möglich. Dabei sind aber speziell die Einhaltung wasserrechtlicher Anforderungen und die Berücksichtigung konkurrierender Nutzungen, wie Trinkwasserschutz oder industrielle Nutzung, zu berücksichtigen.

„Für eine konkrete Umsetzung ist daher in jedem Fall eine standortspezifische Detailuntersuchung erforderlich. Dazu gehören Erkundungsbohrungen, hydraulische Tests zur Bestimmung der Bodendurchlässigkeit sowie chemische Analysen zur Bewertung der Wasserqualität.“

Bei den Oberflächengewässern, wie Flüssen, Seen oder Abwasserkanälen, wird das Wasser über Leitungen zur Großwärmepumpe geführt, dort die Temperaturdifferenz komprimiert und zur Wärmeversorgung weitergeleitet.

Großwärmepumpen sind gut geeignet für ein Nahwärmenetz zur Versorgung von mehreren Gebäuden. Zum Aufbau des Nahwärmenetzes sind höhere Investitionen erforderlich, die über eine gemeinschaftliche Finanzierung gesichert werden können.

Für die technische Erschließung von Flüssen und Seen sind Kriterien wie Gewässergüte, hydraulische Verhältnisse, Flächenverfügbarkeit, und Nutzungsdichte zu bewerten. In der KWP Pkt. 4.5.3. Seite 57, wird ausgeführt, dass „für Gebiete mit mittlerer bis hoher Bebauungsdichte und bestehender Wärmeinfrastruktur, etwa entlang der Weißen Elster oder am Cospudener See“, Nutzungspotentiale bestehen.

„Die Potenzialanalyse identifizierte 63 geeignete Standorte für Flusswärmepumpen und 154 ermittelten Standorte an Seen“ im Leipziger Umland.

Abwasserwärme

Die Nutzung von Abwasserwärme aus dem städtischen Kanalnetz stellt eine technisch bewährte und ökologisch unbedenkliche Möglichkeit dar, Umweltwärme zur Gebäudeheizung oder Einspeisung in Nah- und Fernwärmenetze zu nutzen. Möglich wäre eine Wärmeerschließung über Abwasserkanäle mit größerem Durchmesser (DN 300 = 300 mm) und einem gesicherten Mindestabfluss sowie die Nutzung der Abwasserwärme vom Klärwerk Rosental.

Aussage in der KWP Pkt. 4.7.3. Seite 71, „die Leipziger Stadtwerke verfolgen dort die Errichtung einer Großwärmepumpenanlage mit einer geplanten Wärmeleistung zwischen mindestens 30 MW und perspektivisch bis zu 150 MW. Die Anlage soll thermische Energie aus dem gereinigten Abwasserstrom der Kläranlage entziehen und in das städtische Fernwärmenetz einspeisen.“

Geothermie-Wärmepumpen, die auf oberflächennahen Erdsonden, Erdleitungen oder Wasserentnahme basieren, bieten auf lange Sicht eine stabilere und effizientere Lösung gegenüber Luftwärmepumpen, auch wenn sie vorerst höhere Investitionskosten erfordern.

Diese Systeme nutzen die konstante Temperatur des Erdreichs oder Wasser, was ihre Effizienz auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen aufrechterhält. Dadurch wird nicht nur eine stabilere Wärmeversorgung gewährleistet, sondern auch die Belastung des Stromnetzes minimiert, da die Stromnachfrage gleichmäßiger über das Jahr verteilt wird.

Insgesamt lässt sich festhalten, dass Geothermie-Wärmepumpen aufgrund ihrer höheren Effizienz, der stabileren Energiequelle und der Entlastung des Stromnetzes langfristig die nachhaltigere Wahl für die kommunale Wärmeversorgung darstellen.

Städtisches und bürgerliches Engagement

Die Finanzierungen und der Aufbau von Bohrsonden, Großwärmepumpen und Nahwärmenetzen müssen sicherlich in Zusammenarbeit mit der Stadt, den Gebäudeeigentümern und Wärmenutzern in den Quartieren, den Stadtwerken (SWL) und den Leipziger Genossenschaften besprochen, koordiniert, finanziert, geplant und verwaltet werden. Hierfür ist die Initiative der Bürger, der Wirtschaft und der Verwaltung gefragt.

Was bedeutet das?

Die Stadtverwaltung, die im Auftrag der Stadt agierende Quartiersgesellschaft, die Eigentümergemeinschaft oder die SWL sondieren die Wärmeabgabemenge und das mögliche Versorgungsumfeld. Zum Aufbau einer Verwaltungsgemeinschaft müssen sich im Quartier/Umfeld genügend Interessenten/Eigentümer/Nutzer finden für die gesicherte Wärmeabnahme.

Das kann in Zusammenarbeit mit einer Wohnungs- oder Energiegenossenschaft erfolgen, oder als GmbH, GbR oder ähnliches Konstrukt. Über diese Verwaltungsgesellschaft erfolgt dann die Finanzierung, die Planung, Verteilung und Verwaltung der Wärmeentnahme und des Wärmenetzes.

zu B+C Mitteltiefe und Tiefe Geothermie

Die mitteltiefe und tiefe Geothermie erschließt geothermische Energie aus Tiefenbereichen zwischen etwa 400 und 5.000 Metern unter Geländeoberkante. Diese Grenze ist in der VDI-Richtlinie 4640 definiert. Es werden zwei Hauptnutzungspfade unterschieden:

– die hydrothermale Nutzung, indem heißes Tiefenwasser aus durchströmten Bodenschichten über Bohrungen gefördert wird, und

– die Petrothermale Nutzung (EGS-Enhanced Geothermal Systems), nutzt die Wärme von heißen, relativ trockenen Gesteinen. Über zwei tiefe Bohrlöcher wird Wasser bzw. Wärmeträgerfluid in einem geschlossenen System in das heiße Gestein gepumpt, um Wärme zu extrahieren. Diese erhitzte Sole wird durch das zweite Bohrloch an die Oberfläche gepumpt und zur Wärmebereitstellung oder Stromerzeugung genutzt.

Mögliche Umweltauswirkungen durch die Bohrungen, sind in der Hauptsache induzierte Seismizität und mögliche Beeinträchtigungen der zur Trinkwasserversorgung dienenden Grundwasserleiter und Oberflächengewässer. Diese Befürchtungen und Risiken wurden mit Gutachten durch das Umweltbundesamt untersucht. Hierbei zeigte es sich, dass bei Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben und Nutzung geeigneter Frühwarnsysteme keine unbeherrschbaren Risiken für die Umwelt bestehen.

Mitteltiefe Geothermie (bis ca. 1.500 m)

In der KWP wird unter Pkt. 4.3.3, Seite 47 beschrieben, dass die Stadt Leipzig 2022 eine Untersuchung zur Nutzung tiefer Geothermie an das Frauenhofer Institut IEG in Auftrag gegeben hat zur Bewertung des Nutzungspotentials.

Als Ergebnis wird ausgeführt: „In diesen Tiefen sind im Stadtgebiet Leipzig geologisch nutzbare Sedimentfolgen identifiziert worden. Um relevante Wärmemengen zu gewinnen, wären zahlreiche Einzelanlagen nötig, die zudem räumlich voneinander getrennt betrieben werden müssten, um gegenseitige Beeinflussung durch Kaltwassereintrag zu vermeiden.

Ein solcher Einsatz ist kleinteilig, flächenintensiv und bedarf intensiver Erschließung, wäre jedoch technisch grundsätzlich möglich – insbesondere in Kombination mit Wärmepumpen. Aufgrund der geringen Tiefe sind jedoch nur moderate Temperaturen von etwa 25–45 °C zu erwarten. Die potenzielle Leistung pro Dublette wird auf etwa 1–1,5 MW geschätzt.“

Meine Interpretation – mitteltiefe Geothermie anzuzapfen wäre möglich, ist aber mit relativ hohem Aufwand verbunden.

Tiefengeothermie (bis ca. 5000 m)

Die Aussage im KWP lautet, im Raum Leipzig wären für petrothermale Geothermie (EGS) geeignete Gesteine prinzipiell vorhanden. Dieser Untergrund kann auch in Deutschland Temperaturen von 100 bis 150°C aufweisen. Die technische Umsetzung zur Gewinnung der Tiefenwärme erfordert jedoch Fracking-ähnliche Maßnahmen, die aber für diese Tiefen technisch noch nicht ausgereift sind und nicht ganz unberechtigt häufig auf gesellschaftliche Vorbehalte stoßen.

Somit ist eine kurzfristige Nutzung petrothermaler Systeme (EGS) nicht empfehlenswert. Eine vertiefte Untersuchung wäre mit erheblichen Investitionen verbunden (z. B. Seismik: 0,5 bis 2 Millionen €, Tiefbohrung: 10 bis 15 Millionen €) und ist zum aktuellen Zeitpunkt nicht gerechtfertigt.

Im KWP wird unter Pkt. 4.3.3.3. Seite 49 angemerkt: ein „Closed-Loop-Systeme wie AGS bieten einen alternativen Zugang zur tiefen Geothermie. Dieses innovative Loop-System könnte ab Mitte der 2030er Jahre in mehreren tausend Metern Tiefe Wärme fördern.

Dabei werden zwei vertikale Bohrungen im Abstand von 50 bis 100 m bis zu einer Tiefe von 4,5 km gebohrt. Nach einer Ablenkung aus den vertikalen Bohrungen werden 24 seitliche Bohrungen wie übereinanderliegende Äste gebohrt, um maximalen Kontakt mit dem heißen Gestein zu haben, und in der Endtiefe paarweise für die Flüssigkeitszirkulation verbunden. „Diese sogenannten Advanced Geothermal Systems (AGS) benötigen keine wasserführenden Gesteinsschichten und können unabhängig von der lokalen Hydrogeologie betrieben werden.

Auch in Leipzig bestehen hierfür prinzipiell geeignete Voraussetzungen. Allerdings befinden sich diese Technologien noch in der Entwicklung, und es fehlt bislang an praktischer Betriebserfahrung sowie wirtschaftlich tragfähigen Referenzprojekten.“ Das klingt ziemlich kompliziert, ist technisch aufwändig und dementsprechend kostenintensiv und bleibt ohne finanzielle Bundeszuschüsse und vergleichbare Pilotprojekte vorerst Zukunftsmusik.

Teil 1 der Serie findet man hier.

Teil 2 der Serie findet man hier.

Teil 3 der Serie findet man hier.

Teil 4 der Serie findet man hier.

Teil 5 der Serie findet man hier.

Teil 6 der Serie findet man hier.

Teil 7 der Serie findet man hier.