Die großtechnische Nutzung der Erdwärme befindet sich erst am Anfang ihrer Entwicklung. So dürfte sich der Beitrag der geothermischen Energieerzeugung von ca. 20 PJ (5,5 TWh) im Jahr 2010 auf 395 PJ in 2050 verzwanzigfachen. Der relative Anteil der Geothermie an den erneuerbaren Energien steigt von 2,2 % in 2010 auf 13 % in 2050 [1]. Bereits das theoretische Potenzial ist enorm: 99 % unserer Erde ist heißer als 1.000 °C und 99,9 % sind wärmer als 100 °C. Die geologische und ingenieurtechnische Herausforderung besteht darin, diese Energien wirtschaftlich und sicher zu erschließen. Die Realisierung hängt auch von den Erfahrungen und Lerneffekten aus den bisher und zukünftig umgesetzten Projekten ab. Dabei spielen sowohl die Zuverlässigkeit der bestehenden Systeme als auch die weitere Kostenreduzierung – insbesondere der Bohrkosten – eine besondere Rolle.

Autor: Prof. Dr. Rolf Bracke (GZB International Geothermal Center)
 

Die Analyse des deutschen Erdwärmemarktes erscheint auf den ersten Blick relativ simpel. Es existieren etwa 250.000 Anlagen und jährlich kommen etwa 20.000 dazu. Betrachtet man die Zahlen jedoch im Detail, so ergeben sich eine Reihe von interessanten Erkenntnissen, aber auch offene Fragen. Der nachfolgende Beitrag soll einige der verfügbaren Zahlen aus Sicht der Praxis vorstellen, analysieren und Schlüsse für die Entwicklung der Branche in den kommenden Jahren ziehen.

Autor: Dipl.-Geol. Rüdiger Grimm (erdwärmeLIGA Deutschland UG)
 

Um eine nachhaltige und sichere Performance von Erdwärmesondenanlagen zu gewährleisten, kann bei deren Errichtung auf hohe Qualitätsstandards nicht verzichtet werden. Um diese zu erreichen, stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, denen gemein ist, dass sie frühestens während der Hinterfüllung der Aufschlüsse eingesetzt werden können. Um bereits während der Bohrarbeiten relevante Datensätze zu gewinnen, bieten sich „Radio Frequency Identification“-Systeme (RFID) an. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde diese Technologie erstmals getestet.

Autoren: Dr. Thomas Kölbel, Dipl.-Ing. Florian Dönges (beide EnBW, Energie Baden-Württemberg AG), Florian Schwinghammer M.Sc., Prof. Dr. Simone Walker-Hertkorn (beide tewag GmbH)
 

Insbesondere in dicht besiedelten Gebieten oder auf eng begrenzten Grundstücken können Integralsonden eine Alternative zu ausgedehnten Sondenfeldern sein. Integralsonden werden in eine einzelne Bohrung eingebracht. Das Grundwasser wird über den unteren Sondenbereich gefördert und nach der Wärmeentnahme weiter oben wieder eingespeist. Eine Integralsonde kann bis zu zehn Mal so viel Erdwärme gewinnen wie geschlossene U-Sonden und kann auf kompaktem Raum große Gebäude mit Wärme versorgen.

Autor: Dr. Nikolaus Meyer (Geo-En Energy Technologies GmbH)
 

Neben der Beheizung von Gebäuden mithilfe von Wärmepumpen können oberflächennahe geothermische Energiequellen auch für Kühlzwecke herangezogen werden. Die beste Ausnutzung der geothermischen Anlagen ist bei kombiniertem Heiz-Kühl-Betrieb gegeben. Der Beitrag geht auf die Anforderungen und Besonderheiten ein, die bei der Auslegung und Planung geothermischer Anlagen für die Kühlung und den Heiz-Kühlbetrieb zu beachten sind. Neben den erforderlichen Grundlagen werden auch Praxiserfahrungen erläutert.

Autor: Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff (Hochschule Biberach)
 

In Baden-Württemberg gab es im Sommer 2011 nach mehreren Schadensfällen bei oberflächennahen Geothermiebohrungen einen Erlass zur Tiefenbeschränkung von Bohrungen auf den ersten Grundwasserleiter. Eine Forderung des Umweltministeriums in BW zur Aufhebung der Bohrtiefenbeschränkung im Rahmen der Erstellung der neuen, verschärften „Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden“ (LQS EWS) war die Entwicklung eines Verfahrens zur digitalen Überwachung des Verpressvorganges im Bohrloch.

Autor: Dipl.-Ing. Claus Dietrich (Dietrich Erdwärme GmbH)
 

Koaxiale Stahlsonden finden seit dem Beginn des Einsatzes erdgekoppelter Wärmepumpen Verwendung. Der Beitrag beschäftigt sich mit den Vorteilen einer koaxialen Sondengeometrie für den Bohrlochausbau sowie mit technischen und leistungsmäßigen Vorteilen eines Wärmetauscherrohres aus Stahl. Die Wirtschaftlichkeit der Verwendung für Einfamilienwohnhäuser wird anhand von Leistungsdaten aus einem Realbeispiel diskutiert.

Autoren: Dr. Martin Bregar (Hypersond Erdwärmetechnik GmbH), DI Dr. Edith Haslinger, DI Othmar Plank (beide AIT-Austrian Institute of Technology)
 

Am Schacht Arnold im Bochumer Industriegelände „Robert Müser“ wird die im Grubenwasser enthaltene Wärme ausgekoppelt und als Wärmequelle über ein „kaltes Nahwärmenetz“ zu mehreren Heizzentralen geleitet. Die energetische Bewertung belegt eine signifikante Reduzierung des Primärenergiebedarfs im Vergleich zur bisherigen Versorgung der Gebäude. Durch den Einsatz der Grubenwasserwärme wird die benötigte Primärenergie zur Beheizung der am Projekt beteiligten Gebäude um 26 % reduziert. Der Anteil der aus dem Grubenwasser ausgekoppelten Wärme an der bezogenen Endenergie beträgt ca. 40 %.

Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Jens Willmes M.Eng. (ISW Ingenieur GmbH Schmidt & Willmes), Dipl.-Ing. (FH) Christin Bücker M.Eng. (Stadtwerke Bochum Holding GmbH)
 

Das kaufmännische Berufskolleg in Duisburg-Mitte mit verschiedenen schulischen Einrichtungen, einer 4-Feld-Sporthalle und Tiefgarage umfasst eine Bruttogeschossfläche von 56.000 m². In der Vorplanung wurden unterschiedliche Energiekonzepte im Hinblick auf Lebenszykluskosten und Ökologie analysiert und bewertet. Im Ergebnis sorgen 180 Erdsonden mit einer Gesamtlänge von mehr als 21 km für die Wärmeversorgung im Winter und als Wärmesenke im Sommer.

Autor: Dr. Robin Heidel (GOLDBECK Public Partner GmbH)

Im Rahmen der Entwicklung von Leistungsprüfverfahren für kombinierte Solarthermie-Wärmepumpenanlagen werden neben Laborprüfungen auch Feldtests durchgeführt. Es ist unabdingbar, auf Messdaten von realen Anlagen zurückgreifen zu können, um deren tatsächliche Leistungsfähigkeit zu beurteilen. Daten aus Feldtests sind zudem wichtig für die Validierung von Simulationsmodellen, für die energetische Optimierung der vermessenen Systeme sowie für die Aufdeckung von Fehlerquellen.

Autoren: Dr. Anja Loose, Dr.-Ing. Harald Drück (beide Universität Stuttgart)
 

Die Nutzung höherer Temperaturen und begrenzte Platzverhältnisse vor allem in Städten führen immer häufiger zur Errichtung tiefer Erdwärmesondenanlagen. Vorgestellt wird ein Projekt im schweizerischen Lausanne, bei dem acht Erdwärmesonden à 500 m Tiefe eingebaut wurden. Beschrieben werden die Rahmenbedingungen des Projekts, die Temperaturmessung bis zur Endteufe, die Bohrtätigkeit, der Einbau der Erdwärmesonden sowie die umgesetzte Qualitätssicherung.

Autoren: Dipl.-Ing. Francesco Barone (SIL Service Industriels Lausanne), Dipl.- Ing. Marco Neva, B.Sc. HES-SO (Augsburger Forages SA)
 

Wenn Investoren 35 bis 80 Millionen Euro für ein Kraftwerksprojekt vorfinanzieren müssen, dann sollten sie Sicherheiten erwarten können. Bisher bot der Blick ins Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) Sicherheit genug. Weil dieses Vertrauen im Frühjahr 2013 von den Bundesministern Peter Altmaier (CDU) und Philipp Rösler (FDP) zerstört wurde, müssen nun neue Ideen und mehr politische Rückendeckung her, um den Ausbau der Tiefengeothermie in Deutschland voranzutreiben.

Autor: Dipl.-Ing. Thorsten Weimann MBA (Wirtschaftsforum Geothermie e. V.)

Im Jahr 2008 teufte die Geothermie Allgäu GmbH, eine Tochter der Exorka GmbH, im westlichen Teil der Molasse eine geothermische Tiefbohrung bei Mauerstetten (Allgäu) ab, um diese Region erstmalig für die hydrothermale Geothermie nutzbar zu machen. Es zeigte sich jedoch keine ausreichende Durchlässigkeit der Malmkalke. Über ein vom BMU gefördertes Forschungsprojekt sollen zum ersten Mal die Wasserwegsamkeiten in einem Karbonathorizont über die Entwicklung eines petrothermalen Systems verbessert werden. Die Ergebnisse lassen sich auf andere Standorte in der Molasse mit dem Reservoir Oberer Malm und ggf. auch auf andere Reservoire übertragen.

Autoren: Curd Bems, Dipl.-Geophys. Dipl.-Ing., Stephan Hild, Dr.-Ing. Guido Blöcher, Prof. Dr. Inga Moeck, Prof. Dr.-Ing. Mohammed Amro, Ing. Alireza Arab M.Sc., Prof. i. R. Dr.-Ing. Frieder Häfner, Dipl.-Geoökol. Anne Kaulisky, Prof. Dr.-Ing. Herbert Klapperich, Prof. Dr. Broder Merkel, Dipl.-Phys. Patrick Blascheck, Prof. Dr. Manfred Joswig, PD Dr. Torsten Steiger, Dipl.-Geol. Stephan Uhlig, Dr.-Ing. Horst Kreuter, Dipl.-Geoökol. Christina Schrage, Dr. Stefan Baisch
 

Die geothermisch genutzten Tiefenwässer des Oberrheingrabens zeichnen sich durch ein ähnliche chemische Zusammensetzung (NaCl-Typ) und durch eine vergleichsweise hohe Salinität (< 100 g/l) aus. Durch die Zirkulation dieser Tiefenwässer durch die Gesteinsformationen im Untergrund können Interaktionsprozesse an der Fest-Flüssig-Grenze beobachtet werden, die natürliche Radionuklide aus dem Gestein freisetzen. Aufgrund der Änderung thermodynamischer Parameter während des Betriebes geothermischer Stromerzeugungsanlagen, ist die Bildung radionuklidhaltiger Ablagerungen im obertägigen System nicht auszuschließen. Vor diesem Hintergrund wurde an den geothermischen Standorten in Bruchsal und Soultz-sous-Forêts ein umfassendes Monitoringsystem errichtet, das neben der Analyse von Wasser- und Feststoffproben die regelmäßige Messung der Ortsdosisleistung umfasst. Besonders Letzteres ist ein wichtiger Aspekt zur Sicherstellung des Mitarbeiterschutzes und der Anlagensicherheit.

Autoren: B.Sc. Lena Eggeling, Prof. Dr. Martin Sauter, Dr. Bettina Wiegand (alle Universität Göttingen)
 

Die Geothermische Kraftwerksgesellschaft Traunreut mbH (GKT) startete Anfang 2012 das Projekt „In-Bohrloch-Seismik (IBS) Traunreut GT 1/ 2“. Der innovative Kern des Vorhabens ist die Korrelation von geophysikalischen Daten mit Auflösungen unterschiedlicher Skalenbereiche mit dem Ziel, das Bohr- und das Betriebsrisiko des Geothermiekraftwerks Traunreut zu minimieren.

Autoren: Dipl.-Geol. Silke Bißmann, Dipl.-Geol. Bernd Loske (beide DMT GmbH & Co. KG)

Das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) ist ein verschleißarmes Bohrverfahren, welches auf der zerstörenden Wirkung von elektrischen Durchschlägen durch das Gestein basiert. In einem aktuellen, vom BMU geförderten Forschungsprojekt wird ein Bohrkopf auf der Basis des EIV mit einem Durchmesser von 12 ¼“ entwickelt, der speziell an den Einsatz im Hartgestein im tiefen Grundgebirge (Temperaturen bis 200 °C und Drücke bis zu 1.000 bar) angepasst ist. Ziel des Projektes ist es, die Lebensdauer und die Bohrgeschwindigkeit von konventionellen Hartgesteinswerkzeugen deutlich zu übertreffen und die Bohrkosten dadurch zu reduzieren. Konventionelle Meißel generieren einen Bohrfortschritt von 1 m/h bei einer Standzeit von ca. 50 h. Derzeit wird für das EIV-Bohrsystem von einer Lebensdauer von ca. 500 h bei einem Bohrfortschritt von mindestens 2 m/h ausgegangen.

Autoren: Dipl.-Ing. Erik Anders, Dipl.-Ing. Matthias Voigt (beide Technische Universität Dresden), Dipl.-Ing. (FH) Franziska Lehmann (TU Bergakademie Freiberg )
 

Für gewöhnlich sind raue Industrieumgebungen für erfahrene Komponentenlieferanten gut zu bewältigen. Der Einsatz in einem Geothermie-Projekt setzte jedoch noch einmal neue Maßstäbe. Erst eine neu entwickelte Pumpe mit einer speziellen Werkstoffzusammensetzung und konstruktiver Auslegung konnte den außergewöhnlichen Belastungen durch die aggressive Sole, hohe Mediumstemperatur, den hohen Anteil an Feststoffpartikeln sowie die große Einbautiefe standhalten.

Autoren: Dipl.-Ing. Thorsten Reder, Dipl.-Ing. Markus Urban, Dipl.-Ing. Nils Schumann (alle KSB Service GmbH)