„Schweizer Messer“ Geothermie: Viel Potenzial, viel Konkurrenz
Geothermie gilt nicht erst seit dem Ukraine-Krieg und der Debatte über einen möglichen Gasboykott Russlands als einer der Hoffnungsträger der Energiewende. Tatsächlich ist der Wärmeinhalt der Erde groß genug, um theoretisch den globalen Energiebedarf zu decken. In der Realität gibt es aber noch zahlreiche Hürden – von der „Unsichtbarkeit“ über den erneuerbaren Mitbewerb bis zu Forschungslücken.
“Geothermie ist unter den erneuerbaren Energien diejenige, bei der die Lücke zwischen Potenzial und derzeitiger Nutzung am weitesten auseinanderklafft”, heißt es in der aktuellen FTI-Roadmap Geothermie des Energieministeriums. Für Heizzwecke wird Erdwärme bisher nur zu 1,6 Prozent eingesetzt, für die erneuerbare Stromerzeugung so gut wie gar nicht. Speziell die tiefer in der Erde liegende Wärme ist noch zu 85 bis 90 Prozent ungenutzt. Oberflächennahe Geothermie wird vor allem für Wärmepumpen genutzt.
Im Wärmebereich birgt die Geothermie zahlreiche Vorteile: Sie ist saisonal speicherbar, kostengünstig, stabil und importunabhängig. Im Untergrund gespeicherte Wärme, die aus dem geologischen Aufbau der Erde resultiert, kann zum Heizen und Kühlen von Gebäuden oder Städten bis hin zur Gewinnung von elektrischer Energie eingesetzt werden. Österreichs Energiebedarf fürs Heizen und Kühlen macht über 50 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs aus. Damit Erdwärme mit anderen erneuerbaren Technologien konkurrenzfähig wird, muss aber noch einiges passieren. Unter anderem eine Kostensenkung bei Bohrungen und Bohrtechnologien und eine Verkürzung der Entwicklungszeiträume um 30 bis 50 Prozent, heißt es in der Roadmap.
Gas und Öl lange Zeit zu billig
„Heizen/Kühlen, Stromgewinnung und Wärmespeicherung – die Geothermie ist das Schweizer Messer unter den Energieformen“, ist Edith Haslinger vom AIT Austrian Institute of Technology überzeugt. Noch sei man aber mit gewissen Hürden konfrontiert. „Die Sichtbarkeit ist sehr gering, weil die Anlagen im Untergrund sind. Bei der oberflächennahen Geothermie sieht man eine Wärmepumpe im Technikraum und bei der tiefen Geothermie ein Heizwerk wie alle anderen. Diese bewährte Technologie ist leider ein bisschen in Vergessenheit geraten, auch deswegen, weil Gas und Öl lange Zeit zu billig und zu einfach zu haben waren“, so Haslinger.
Nach einem Boom von Geothermie und Wärmepumpen für die Raumwärme in den 70er-Jahren durch die erste Ölkrise und dem Entstehen der ersten Thermen mit Tiefenbohrungen wurde es mit dem Preisrutsch bei Öl und Gas schnell wieder ruhig um das Thema. „Seit der Coronakrise und dem Ukraine-Krieg ist aber alles anders. Die Leute wollen zusehends unabhängiger werden“, erklärt die Geologin. Vor allem in der Raumwärme könne die Geothermie einen großen Beitrag leisten, das technische Potenzial sei noch kaum ausgeschöpft.
Erdwärme praktisch überall einsetzbar
Von individueller Raumwärme durch oberflächennahe Geothermie bis zur tiefen Geothermie für die Fernwärme: Abgesehen von speziellen Anwendungen, etwa im Hochtemperaturbereich, könne Erdwärme – zumindest in Kombination mit anderen Energieformen – praktisch überall eingesetzt werden. Ob das individuell bei jedem Haus und jedem Gebäudeverband Sinn mache und ob Geothermie der alleinige Energieträger sei, müsse man sich trotzdem individuell ansehen, meint Haslinger.
Ein gewisser Flaschenhals seien derzeit langwierige Genehmigungsverfahren und die zur Verfügung stehenden Installateure und Bohrunternehmen. Hier gebe es viele Anstrengungen seitens des Bundes und entsprechende Ausbildungsoffensiven – unter anderem verstärkt Brunnenmeister-Kurse. „Es wird Umschulungen und Weiterbildungsmaßnahmen geben, zum Beispiel für Gas- und Ölkessel-Installateure oder Personen, die in der Öl- oder Gas-Exploration tätig sind. Aber natürlich hat das eine gewisse Vorlaufzeit. Es ist klar, dass man nicht von jetzt auf gleich hunderte Installateure und Bohrleute ausbildet“, so Haslinger gegenüber APA-Science.
EXTRA: Oberflächennahe Geothermie
Unter oberflächennaher Geothermie versteht man die Nutzung der Erdenergie bis in eine Tiefe von 300 Metern und Temperaturen von bis zu 25 Grad, etwa mittels Flachkollektoren, Tiefensonden, erdberührten Bauteilen oder seichtem Grundwasser. Haupteinsatzgebiet ist die Beheizung und Kühlung von Gebäuden durch eine Kopplung mit einer Wärmepumpenanlage. Die generierte Wärme wird laut dem Verein GTÖ – Geothermie für Österreich in den Sektoren Haushalte (60 Prozent), Industrie (10 Prozent) und Dienstleistung & Gewerbe (30 Prozent) eingesetzt.
Erneuerbarer Mitbewerb
Bei der individuellen Raumwärme sind Luftwärmepumpen und Pelletsheizungen derzeit, was Neuinstallationen betrifft, deutlich beliebter als Erdwärme. Mit lediglich 90.000 installierten Anlagen hat die oberflächennahe Geothermie einen Anteil am Wärmemarkt von unter fünf Prozent. „Luftwärmepumpen sind aufgrund der Einfachheit und der niedrigeren Investitionskosten sehr beliebt. Es gibt aber Schallemissionen. Außerdem sind sie weniger effizient als eine Sole-Wärmepumpe oder eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe, was zu deutlich höheren Betriebskosten führt. Das ist eigentlich ein unschlagbares Argument für die Geothermie“, sagt Haslinger.
Luftwärmepumpen würden dort Sinn machen, wo man viel Platz hat, also im ländlichen Raum. Im dicht verbauten urbanen Bereich könnten für ein großes Haus oder Gewerbe damit aber nicht alle Leistungen abgedeckt werden. Pellets-Öfen wiederum seien in manchen Lagen, etwa in der Stadt, aufgrund der Feinstaubbelastung sowie der Transportwege und Lagermöglichkeiten für die Pellets technologisch nicht unbedingt die erste Wahl. „Da ist es besser man bohrt. Es gibt aber nicht nur Bohrungen oder Grundwasser-Wärmepumpen, sondern auch flachere Energieformen wie Spiral-Kollektoren, die sich dann eignen, wenn man nicht bohren kann“, erklärt die Expertin.
Weg von Individuallösungen
Grundsätzlich müsse man weg von Individuallösungen. „Jeder hat sein Heizsystem, jede Wohnung eine Gastherme, jedes Haus eine Ölheizung. In Zukunft muss man vernetzter denken – Stichwort Energiegemeinschaften. Das ist eine tolle Sache, dass sich Leute in einer Gemeinde oder einem Grätzl zusammentun und sagen, wir machen unsere Wärme gemeinsam. Zentrale Bohrungen und dezentrale Wärmepumpen verschaltet mit anderen Wärmequellen machen die Energieversorgung lokal, dezentral und unabhängig. Das geht natürlich auch in ländlichen Gemeinden oder suburbanen Gemeinden wunderbar“, so Haslinger.
EXTRA: Tiefe Geothermie
Tiefengeothermische Anlagen nutzen die Wärme aus einer Tiefe von etwa 1.500 bis 5.000 Metern mit Temperaturen von normalerweise über 60 Grad. Es gibt hydrothermale Anlagen die auf den Energiegehalt von warmem bis heißem Thermalwasser abzielen und petrothermale Systeme, die Wärme aus tiefliegenden eher trockenen Gesteinsschichten nutzbar machen.
Tiefe Geothermie hat laut Experten einen großen Hebel, wenn sie verstärkt in lokale Wärmenetze eingespeist wird. Ein vielversprechender Ansatz ist hier auch die sogenannte Energieraumplanung. „Man nutzt zum Beispiel tiefe Geothermie für die Versorgung von Industriebetrieben und/oder von lokalen Nahwärmenetzen mit Hochtemperatur. Die überbleibende Wärme mit Temperaturen zwischen 30 und 80 Grad geht an Gewerbebetriebe, die sie für die Trocknung oder ihre internen Lasten nutzen können. Dann kann man Häuser, die eine gewisse Vorlauftemperatur brauchen, weil sie zum Beispiel Radiatoren haben, versorgen und den Rest, also die Niedertemperatur, schickt man in die neuen Stadtteile, wo die Häuser in der Regel schon nach einem sehr modernem Standard gebaut sind. Die brauchen die hohen Vorlauftemperaturen nicht“, erläutert die Expertin.
Was die tiefe Geothermie bremse, seien mangelnder Wissenstransfer und fehlende Kooperation. „Man kann viel voneinander lernen, wenn man sich viel stärker vernetzt, vorausschauend plant und alle an einen Tisch holt. Gibt es einen Austausch über Workflows und Schnittstellen, muss man nicht jede Anlage als Spezialfall betrachten. Diese Multiplizierbarkeit ist sehr wichtig“, so die stellvertretende Obfrau des Vereins Geothermie Österreich. Auch bei der seismischen Exploration sollte laut der Expertin mehr zusammengearbeitet werden: „Das könnte auch die Genehmigungen, die bei Tiefenbohrungen in der Regel ein paar Jahre dauern, um einiges beschleunigen.“
Heißes Wasser 3.000 Meter unter der Stadt
In Wien werden große Energiereserven in Form von heißem Wasser unter dem Stadtgebiet vermutet. 2012 war eine Bohrung jedoch ein teurer Fehlschlag. Vor einem neuen Versuch hat man 2016 ein umfangreiches Sondierungsprojekt gestartet, das seit kurzem grünes Licht geben kann. Das geortete Reservoir liegt in 3.000 Meter Tiefe. Das Aufspüren derartiger Energiereserven sei „ebenso eine technische wie eine wissenschaftliche Herausforderung“, sagt die Geophysikerin Maria-Theresia Apoloner. „Man hat mittlerweile mehr Möglichkeiten als 2011. Das Forschungsteam hat an über 16.000 Messpunkten gemessen und dabei etliche Terabyte Daten gesammelt. Damit konnten wir nun erstmals ein detailliertes 3D-Modell des Wiener Untergrunds erstellen.“
Fündig wurde man in einer „Aderklaaer Konglomerat“ genannten porösen Gesteinsschicht unterhalb eines Gebiets, das von Donaustadt bis Simmering reicht. „Unser Zielhorizont lag eigentlich in vier Kilometern Tiefe.“ Nun wird man deutlich weniger tief bohren müssen, um an die heißes Wasser führenden Schichten zu kommen, die laut einer ersten Schätzung von Wien Energie bis 2030 bis zu 125.000 Haushalte mit Wärme versorgen könnten.
„Tiefe Geothermie macht dort Sinn, wo viele Menschen leben und ein Fernwärmenetz vorhanden ist“, erklärt Apoloner, die an der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) beschäftigt ist. Am Energie-Forschungsprojekt „GeoTief Wien“ sind unter der Leitung von Wien Energie neben der ZAMG unter anderem auch das AIT, die Geologische Bundesanstalt, die Montanuni Leoben sowie OMV und die RAG Austria AG beteiligt. Die zur Erschließung nötigen Investitionen sind nicht unbeträchtlich. Der Druck auf die Wissenschafter wie auf die Techniker, die mit ihrer Bohrung genau im Zielgebiet landen sollten, ist daher groß.
Geothermie werde auch in Österreich ein wichtiger Baustein für den künftigen Energiemix werden, sagt die Wissenschafterin. Der Verein Geothermie Österreich schätzt, dass hierzulande dadurch der Anteil erneuerbarer Energie in der Fernwärmeerzeugung von 46 (im Jahr 2016) auf bis zu 86 Prozent im Jahr 2050 erhöht werden könnte. Laut dem Verein werden erst fünf Prozent des Potenzials der tiefen Geothermie in Österreich genutzt, der mögliche Anteil dieser Energiequelle an den notwendigen CO2-Einsparungen sei enorm.
Noch einige Forschungslücken
Vor allem in der oberflächennahen Geothermie sind aber noch viele Forschungsfragen offen, etwa was die „Ernte“ solarer urbaner Überschusswärme von Gebäudeoberflächen, Gehwegen, Straßen und Plätzen betrifft. „Diese Wärme kann man im Untergrund gewinnen und auch wieder speichern. Da braucht es noch Forschung zum thermischen Verhalten einerseits von Oberflächen und andererseits zu den Auswirkungen von verschiedenen Be- und Entladungsszenarien von Erdsondenspeichern bei unterschiedlichen Untergründen“, so Haslinger. Wichtig sei, sicherzustellen, dass das keine negative thermische Auswirkung auf Nachbargrundstücke hat.
Auch bei den Bohrtechnologien gebe es noch Verbesserungspotenzial. „Eine der größten Hürden ist, dass der Bohrprozess bei manchen Untergründen sehr lange dauert. Um nicht nur den Untergrund anzapfen zu können, wo man unmittelbar Wasser hat, ist beispielsweise die Festgesteinbohrtechnik sehr wichtig. Das gilt sowohl für die oberflächennahe als auch die tiefe Geothermie“, stellt die Geologin fest.
Untergrund als Wärmespeicher
Auch in der Nutzung von Geothermie als Speicher gibt es Fortschritte. So könnte Wärme, die im Sommer durch Solarenergie gewonnen, aber nicht gebraucht wird, temporär eingelagert werden. Hier gibt es drei Konzepte, das sogenannte „ABC“ der Speicherung: ATES-, BTES- und CTES -Systeme. Geforscht wird unter anderem an den Wechselwirkungen zwischen Wasser, Material und dem umgebenden Erdreich oder Gestein.
ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) steht für Aquiferspeicher, also grundwasserbasierte Systeme, die sich zum Beispiel für die Speicherung von Abwärme oder Fernwärme eignen. Dabei wird warmes Wasser über ein Bohrloch in die wasserführende Schicht gepumpt, gleichzeitig kaltes Wasser über ein zweites Bohrloch entnommen. In Österreich seien eher die tiefen Reservoire interessant, die kaum oder keinen Grundwasserfluss haben. Oberflächennahe Grundwasserkörper könnten eventuell für Trinkwasser herangezogen werden, weshalb eine Nutzung durch das Wasserrecht eher unterbunden werde, sagt Haslinger. Die ATES-Technologie ist hierzulande technologisch nicht etabliert, eignet sich aber wegen dem extrem geringen Oberflächenbedarf gut für Ballungszentren. Das Potenzial für Fernwärmenetzanwendungen wird derzeit im Projekt ATES Vienna erkundet.
BTES-Systeme (Borehole Thermal Energy Storage) sind Erdsondenspeicher und technisch schon sehr ausgereift. Sie werden vor allem zur Speicherung von Niedertemperatur-Wärme (bis 30 Grad) in Tiefen von 50 bis 200 Meter eingesetzt. Dabei nutzt man nicht wie bei ATES wasserführende Schichten, sondern Gestein im Untergrund. Außerdem werden geschlossene Rohrsysteme in den Boden verbracht. Eingesetzt werden BTES-Systeme vor allem bei Bürogebäuden und in Niedertemperatur-Wärme- und-Kältenetzen (Anergienetzen).
Projekt SANBA
Im Projekt SANBA (Smart Anergy Quarter Baden) wurde ein Niedertemperaturnetz (4 bis 30 Grad) zur Wärmeversorgung und Kühlung (Anergienetz) für die ehemalige Martinek-Kaserne entwickelt. Im Gegensatz zu einem Fernwärmenetz verfügt ein Anergienetz nicht über eine zentrale Wärmeversorgung, sondern kann dezentral auf Quartiersebene betrieben werden. Als wichtigste Wärmequelle des Netzes war die industrielle Niedertemperatur-Abwärme aus der benachbarten NÖM-Molkerei vorgesehen, ergänzt durch thermische Solaranlagen, Photovoltaik, Wärmepumpen sowie ein Erdsondenfeld, das als saisonaler Speicher verwendet werden sollte.
Als Basis der Energie- und Sanierungs-Berechnungen wurden drei konkrete Szenarien definiert. Diese reichen in der ersten Ausbaustufe von der exklusiven Nutzung des Bestandsgebäudes ohne neue Gebäude über eine mittlere bis zu einer verdichteten Bebauung. Als wirtschaftlich sinnvoll haben sich die letzten beiden Szenarien erwiesen. Das Projekt hat den Angaben zufolge gezeigt, dass eine autarke Wärmeversorgung für alle Objekte durch die Kombination von Erdsondenfeldern als Wärmespeicher und der Abwärmenutzung aus der Kälteerzeugung bei der NÖM möglich wäre.
CTES (Cavern Thermal Energy Storage) sind Kavernen- und Minenspeicher. Genutzt werden hauptsächlich künstlich errichtete Hohlräume wie Bergwerke, Stollen oder Tunnel. Gefüllt mit heißem Wasser dienen sie als saisonaler Speicher. Bisher gibt es nur wenige Beispiele für CTES, etwa in Schweden.
Stromerzeugung als extreme Nische
Was die geothermische Stromgewinnung anbelangt, ist Österreich ein Niedertemperatur-Land beziehungsweise ein sogenanntes Niederenthalpie-Land. Damit fällt auch schon eines von zwei potenziellen Verfahren weg: Für die direkte Anwendungsmöglichkeit braucht es hohe Temperaturen im Untergrund von 150 Grad Celsius aufwärts, noch besser 200 Grad. So kann direkt Dampf erzeugt werden, um Turbinen anzutreiben. Hierzulande kommen die derzeit genutzten Thermalquellen geologisch bedingt aber nicht über 125 Grad hinaus.
Bleibt nur Option zwei: Indirekte Verfahren wie ORC (Organic Rankine Cycle) und Kalina. Hier wird die Wärme aus dem Untergrund (ab 80 Grad) zuerst an ein Kältemittel übertragen, das dann verdampft. „Vom Wirkungsgrad ist das nicht sehr berauschend. Wir haben zwei Anlagen in Österreich, bei denen durch Geothermie Strom gewonnen wird. Es sind maximal zwei Megawatt elektrisch installiert, das entspricht einem kleineren Windrad“, so Haslinger. ORC-Anlagen würden doch eine gewisse Investitionen darstellen, weswegen jeder Betrieb und jeder Anwender überlegen und berechnen müsste, ob sich das wirtschaftlich – zumindest für die internen Prozesse – auszahlt. Hier könnten technologische Fortschritte für Schwung sorgen.
Noch ist der Anteil der Geothermie an den installierten erneuerbaren Energien für Heizzwecke mit 1,6 Prozent sehr gering und für die erneuerbare Stromerzeugung mit weniger als 0,1 Prozent vernachlässigbar. Technisch ist das Potenzial groß. Ob tatsächlich ein „geothermisches Jahrzehnt“ bevorsteht, wie von manchen Branchenteilnehmern behauptet, muss sich allerdings erst zeigen.