Dossier: Klima

Die Wärme, die aus der Tiefe kommt

Rolf Bracke

Ein großer Teil unseres Energieproblems könnte bereits gelöst sein, ganz ohne Verträge für Kohle oder neues Gas und Öl. Die Wärme, die wir brauchen, liegt zu unseren Füßen: Geothermie.

Foto eines Geysirs bei Sonnenaufgang in einer Schneelandschaft. Der Wasserdampf steigt so hoch, dass die Menschen, die sich das Schauspiel anschauen ganz klein im Vergleich sind sind. Das Bild soll die Wärme und Energie illustrieren, die durch Geothermie vorhanden ist.
Island ist mit Geothermie besonders gesegnet: Hier der Geysir Stokkur im geothermalen Gebiet des Flusses Hvita im Dezember 2021. © Getty Images
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Auf den Punkt gebracht

  • Unterschätzt. Ausgerechnet die Versorgung mit Wärme spielt in der Energiedebatte eine Nebenrolle, obwohl sie die Hälfte des Energiebedarfs ausmacht.
  • Fossiler Trugschluss. Wärmeenergie war bis jetzt der vermeintlich billige Abfall der Verbrennung von Kohle und Gas. Diese Illusion ist nicht aufrecht zu erhalten.
  • Potenzial. Oberflächennahe Geothermie kann Haushalte und Siedlungen versorgen, die Tiefe Geothermie ganze Stadtteile und Gewerbe.
  • Innovationsschub. Es werden Fachkräfte, Forscher und Wissenschaftler gebraucht, um etwa Hochtemperaturpumpen für Geothermie in der Industrie zu entwickeln.

Viele Wege führen zur nachhaltigen Wärme für Industrie und Haushalte. Als Ersatz für die fossilen Energieträger Öl und Gas bestimmt Wasserstoff die Diskussion. Doch für mich ist das für die kommunale Wärmeversorgung ein Umweg, der einer Energievernichtung gleichkommt. Statt aus Windkraft aufwendig Wasserstoff zu machen und anschließend 21° C Raumtemperatur zu erreichen, ist es für das Gesamtsystem effizienter, Niedertemperatur-Wärme aus Geothermie zu gewinnen und den teuer erzeugten Wasserstoff für die Hochtemperatur-Prozesse über 200° C in der Chemie- oder Stahlindustrie zu nutzen.

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In Industrieländern wie Österreich oder auch Deutschland sind rund 50 Prozent des Energiebedarfs Wärme – für Gewerbe- und Industriebetriebe ebenso wie für Kommunen und Haushalte. Der Rest ist mechanische und elektrische Energie für Mobilität, Beleuchtung, IT-Anwendungen und dergleichen.

Ohne Geothermie ist die Wärmewende nicht zu machen.

Wenn es gelingt, durch Elektromobilität und zum Beispiel die Umstellung auf Sonne und Wind diesen Energiebedarf nachhaltig zu decken, ist noch immer nicht ganz die Hälfte der Energiewende geschafft: Erst zusammen mit der Wärmewende ist die Energiewende vollständig und sind unsere Klimaziele erreichbar. Die Erzeugung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser verursacht nämlich rund 40 Prozent der energiebedingten CO2-Emissionen, da Wärme überwiegend aus fossilen Energiequellen gewonnen wird. In Deutschland stammen nur etwa 15 Prozent aus erneuerbaren Quellen, wie Holz und Biogas.

Wärme ist die halbe Energiewende

Noch heute wird die Energiewende vor allem als Stromwende diskutiert. Die Debatte darüber, woher eigentlich die Wärme kommen soll, wenn die Erdgas- und Kohlekraftwerke abgeschaltet sind und somit die Wärme nicht mehr als „billiger Abfall“ zur Verfügung steht, setzt erst jetzt nach dem in Deutschland beschlossenen Kohleausstieg und dem russischen Angriffskrieg auf die Ukraine und den damit verbundenen Erdgas-Engpässen ein. Es zeichnet sich ab, dass Sonne und Wind zukünftig in vollem Umfang zur Stromerzeugung gebraucht werden und billiger Wasserstoff schlicht nicht vorhanden ist. Ohne Geothermie ist die Wärmewende nicht zu machen.

Das Potenzial der Geothermie ist groß: Einerseits könnte die oberflächennahe Geothermie Häuser und kleinere Siedlungen schon jetzt wirtschaftlich versorgen und so deutlich über die Hälfte des Wärmebedarfes im Gebäudebestand decken, wie eine aktuelle Studie des Fraunhofer IEG darlegt. Der Bestand an Erdwärmepumpen, die an flache Bohrungen bis zu 400 Meter angeschlossen sind, müsste dafür in Deutschland in den nächsten 20 Jahren von 400.000 auf 12 Millionen vergrößert werden.

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Zahlen & Fakten

Schwarzweiß Foto eines großen gebogenen Rohres über einer Straße. Durch die Schlaufe sieht man im Hintergrund drei große Kühltürme, aus denen Wasserdampf aufsteigt. In dem Bild geht es um Geothermie.
Larderello in der Toskana in Italien 1963. Hier wird seit 1913 mit Geothermie Strom erzeugt. © Getty Images

Eine kurze Geschichte der Geothermie

Die Geschichte der Geothermie ist so alt wie die Erde. 4,5 Milliarden Jahre. Eigentlich ist nämlich nur die alleräußerste Schicht der Erde relativ kühl: Der größte Teil der Erde ist immer noch über 1.000 Grad Celsius heiß. Manche Orte der Erde – Island, Indonesien oder Neuseeland zum Beispiel – sind Hotspots für Geothermie, aber auch an vielen anderen Orten, etwa bei Thermalquellen wie in Bad Waltersdorf in der Steiermark in Österreich, ist die Wärme aus der Tiefe direkt zugänglich. Die Energie stammt aus dem Zerfall von radioaktiven Teilchen.

  • Vor dem Holozän. Spuren der ersten dauerhaften Siedlungen sind oft in der unmittelbaren Nähe von Thermalquellen zu finden. Die Wärme war ein Grund, warum in Nordamerika schon kurz vor dem Ende der letzten Eiszeit vor rund 11.700 Jahren erste Siedlungen entstanden.
  • Wärme für Kelten und Römer. Heiße Quellen waren vor mehr als 2.000 Jahren bereits beliebt. Man heizte damit Betriebe, Häuser und Bäder und schuf erste Infrastrukturen für Wärmekreisläufe. Noch heute kann man diese bewundern – in Carnunthum in Österreich etwa, in Bath in Südwest-England oder in Xanten in Deutschland.
  • Fernwärme im Mittelalter. Mit dem Niedergang des Römischen Reichs verschwanden auch zunächst die ausgeklügelten Technologien der Wärmeversorgung. In der Toskana etwa wurden die Heißwasserquellen und Geysire für die Gewinnung von chemischen Stoffen wie Schwefel, Alaun und Borsäure genutzt. Im französischen Chaudes-Aigues entsteht aber 1334 wieder eines der ersten richtigen Fernwärmenetze für die Beheizung von Wohnhäusern und Betrieben.
  • Kulturen der Wärme. Im frühen 18. Jahrhundert entwickeln sich Thermalstädte in Europa, eine neue Bäderkultur entsteht, die auch Musik und Literatur inspiriert. Mariánské Lázně, Marienbad, in Tschechien ist eines der ältesten Beispiele. Mariánské Lázně gehört zum Unesco Weltkulturerbe.
  • Industrielle Nutzung. Um etwa 1827 hat der in Wien geborene französische Ingenieur Francois de Larderel die Idee, die Gewinnung von Borsäure in den Thermalquellen in der Toskana zu beschleunigen, indem für die Verdampfung der Borlösung nicht mehr Holz, sondern direkt der Dampf der Quellen genutzt wird. Das Verfahren brachte ihm die Ehre der nach ihm benannten Stadt Larderello ein. Aus seiner Idee entstand Mitte des 18. Jahrhunderts eine chemische Industrie.
  • Aus Wärme wird Strom. Mit der Erfindung der Glühbirne und der Elektrifizierung der Städte um 1900 wurde auch die Geothermie als Energiequelle für Strom interessant. 1904 ließ Piero Ginori Conti die erste Anlage in eben jenem Larderello errichten, seit 1913 erzeugt die Anlage Strom.
  • Hotspots in Europa. Der Raum Paris und München sind Beispiele für die aktuelle Nutzung von Erdwärme, allerdings gibt es viele weitere Vorkommen. In Wien wurde 2021 ein großes Vorkommen von heißem Wasser im Aderklaaer Becken (wieder-) entdeckt.

Außerdem könnte die Tiefe Geothermie, die über urbane Fernwärmenetze nach dem Kohleausstieg Stadtteile versorgt, rund ein Viertel des Wärmebedarfs adressieren. Auch in Österreich gibt es ein ähnlich großes Potenzial, und beide Länder haben Roadmaps ausgearbeitet, um den Weg zur Wärme aus der Tiefe zu skizzieren

Anders als Solarthermie braucht tiefe Geothermie wenig Platz, ist wetterunabhängig und damit grundlastfähig. Vor dem Hintergrund des russischen Krieges in der Ukraine hat das Argument der Rohstoffunabhängigkeit in Europa noch weiter an Bedeutung gewonnen.

Die große Herausforderung für die Nutzung der klimaneutralen Wärme besteht allerdings darin, innerhalb kurzer Zeit diese Energiegewinnung im industriellen Maßstab zu entwickeln. Dieser Transformationsprozess hat alle Kennzeichen einer tiefgreifenden Disruption: Es geht um die Weiterentwicklung notwendiger Schlüsseltechnologien – darunter etwa Bohr- und Speichertechnologien, aber auch Wärmepumpen, die für hohe Temperaturen ab 150 Grad Celsius geeignet sind; es geht um neue Berufe, Forschung und Entwicklung und um neue Infrastrukturen.

Foto einer Industrieanlage mit vielen Röhren, Leitungen und Messstellen. Es ist eine Anlage für Geothermie.
Die geothermische Anlage in München erzeugt sowohl Wärme als auch Strom für mehr als 80.000 Menschen. © Getty Images

Die größte Hürde für die schnelle Erschließung der tiefen Geothermie ist der unbekannte Untergrund in vielen Ballungsräumen. Die Erkundung (Exploration) neuer geothermischer Lagerstätten ist kostspielig und das Fündigkeitsrisiko kann von kleineren kommunalen Versorgern nicht alleine getragen werden. Hier braucht es am Anfang staatliche Unterstützung. Das Beispiel München zeigt aber auch, dass dieses Risiko mit jeder neuen Bohrung und dem damit verbundenen Erkenntnisgewinn geringer wird und die Projekte sich schließlich selber tragen.

Eine Energie mit Vergangenheit

Erdwärme steht unbegrenzt zur Verfügung: Die Wärme im Inneren der Erde ist Milliarden Jahre alt; man schätzt, dass die Hälfte dieser Wärme noch aus der Zeit der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren stammt. Der andere Teil der Erdwärme stammt aus dem natürlichen Zerfall radioaktiver Elemente im Erdinneren, der stetig Energie freisetzt.

Diese Geothermie wird bereits seit vielen Jahrhunderten genutzt, etwa in den Thermalbädern durch die alten Römer oder auch in neuerer Zeit zur Erzeugung von Strom, wie zum Beispiel schon seit 1913 in Larderello in Italien.

Je tiefer die Gesteinsschichten liegen, desto wärmer sind sie. Um wieviel Grad, hängt von der Lage ab: Wo die Kontinentalplatten aufeinandertreffen und Vulkane aktiv sind, ist es auch in oberflächennahen Schichten bereits sehr heiß. Auf dem Festland Europas gilt die Faustregel, dass es mit jedem Kilometer ungefähr 30-35 Grad wärmer wird. Bis 400 Meter unter der Erde spricht man von oberflächennaher Geothermie mit Temperaturen um 15 bis 20 Grad Celsius. Zwischen einem und zwei Kilometern unter der Erde gibt es Lagerstätten mit bis zu 60 Grad heißem Wasser; ab 3.000 Metern sind 100 Grad und ab 4.000 Metern auch 140 Grad und mehr möglich.

Ein in rosa Licht getauchtes Foto von Salatköpfen, die an einer Wand wachsen und durch Licht von Strahlernn auf einer gegenüberliegenden Wand beleuchtet werden. Die Anlage wird mit Geothermie betrieben.
Blick von oben nach unten: Vertikaler Anbau von Salat in einer Anlage in Reykjavik, deren Energie aus Geothermie und Wasserkraft stammt. © Getty Images

Je tiefer man bohrt, desto größer die Wärmeausbeute, aber umso schwieriger ist es auch, diese Wärme zugänglich zu machen. In Vulkangebieten wie in Island sprudelt das heiße Wasser so gut wie von selbst an die Oberfläche. Der Wasserdampf ist so heiß, dass er direkt ins Netz eingespeist werden kann und ganz Reykjavik beheizt. Der Überfluss ist so groß, dass die geothermisch beheizten Straßen auch im Winter durchgehend schnee- und eisfrei sind und das die Wärme zur Stromerzeugung genutzt wird.

Auf dem vulkanfreien europäischen Festland sind Kalksteine eine günstige geologische Formation. In Paris und in München fördern Pumpen aus kilometertiefen Brunnen heißes Thermalwasser.

Auch in Wien wird dies bei dem Aderklaaer Konglomerat der Fall sein. Im nachhaltigen Idealfall muss der Strom für die Pumpen natürlich aus Wind oder Sonnen erzeugt sein. In jedem Fall ist Geothermie die Methode, um aus einem Kilowatt Strom am meisten Kilowatt Wärme macht. Verglichen mit der Erzeugung von Wasserstoff und seiner Nutzung als Wärmequelle ist Geothermie darin zehn bis zwanzig Mal effektiver.

Ein Arbeitsmarkt mit Zukunft

Wo liegen nun die Herausforderungen, wenn die Geothermie an sich doch bereits seit Jahrzehnten erprobt ist? Als wir Anfang des Jahres die „Roadmap Tiefe Geothermie für Deutschland“ erstellt haben, setzten wir einen Schwerpunkt beim technologischen Aufholbedarf. Dieser besteht zunächst bei Hochtemperaturwärmepumpen, die 150 Grad und mehr erzeugen können.

Soll nämlich die Tiefe Geothermie auch in Industrien, die sehr hohe Temperaturen benötigen, wie etwa in der Nahrungsmittelproduktion und Metallverarbeitung, eingesetzt werden, benötigen wir spätestens in zehn Jahren industriell fertigbare 200°C-Hochtemperaturwärmepumpen in einer Leistungsklasse bis 50 Megawatt. Im Moment stehen diese Pumpen nur als Prototypen zur Verfügung.

Weitere Beispiele für Schlüsseltechnologien, die noch weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf haben sind innovative Bohrverfahren, Großwärmespeicher und kommunale Verbundwärmenetze, die Stadtteile und ganze Regionen effizient miteinander vernetzen und mit Wärme und Kälte versorgen.

Foto eines glockenförmigen großen Werkzeugs mit Zahnrädern an den Rändern auf einer Holzpalette. Im Hintergrund ein Bohrturm.
Ein Grabmeißel für eine Testbohrung nach Erdwärme in Graben-Neudorf in Baden-Württemberg, Deutschland im Sommer 2022. © Getty Images

Eine der größten Herausforderungen für die Erschließung der Geothermie in dem Umfang, der benötigt wird, ist aber die Überwindung des anfänglichen Fündigkeitsrisikos. Thermalwasser wird gewöhnlich aus 1.000 bis 4.500 Metern Tiefe gefördert – vergleichbar der Erdöl- oder Erdgasförderung. Die Bohrtechnologien sind ähnlich, jedoch die Energiedichten geringer, sodass Erdwärme nur regional genutzt und gehandelt werden kann.

Doch ebenso wie die Suche nach Erdgas birgt auch die Suche nach Thermalwasser das Risiko, dass eine vermutete Lagerstätte leer ist oder das Vorkommen nicht in ausreichender Menge vorliegt. Da warmes Wasser aber keinen den fossilen Energieträgern vergleichbar hohen Marktwert hat, kann eine erfolglose Suche wesentlich schlechter kompensiert werden.

Am Fraunhofer IEG arbeiten wir daher unter anderem daran, die Produktivität der Bohrungen zu erhöhen: Wir haben Verfahren entwickelt, nicht nur vertikal zu bohren, sondern von dieser Bohrung ausgehend auch horizontale Bohrungen durchzuführen, das Einzugsgebiet des Thermalwasser zu erhöhen und das Risiko trockener Bohrungen zu senken.

Noch wichtiger als die Bohrungen zu verbessern ist es, möglichst schnell möglichst viele Daten zu gewinnen: In der Anfangsphase sind in einer Region, in der ein Reservoir vermutet wird, Dutzende von Bohrungen notwendig, bis man den Untergrund wirklich verstanden hat. Auch hier könnte die öffentliche Hand risikomindernd unterstützen, etwa indem es die Datengewinnung und Datenverteilung fördert.

Wenn Geothermie in Zukunft auf den Energiemärkten eine Rolle spielen soll, muss die Politik dazu beitragen, dass sich ein Markt für sie entwickeln kann. Kommunen und ihre Stadtwerke müssen es sich leisten können, ein Geothermie-Projekt von der Exploration bis zum Anschluss an das Fernwärmenetz durchzuführen. Das ist ein Prozess, der Jahre dauern kann. Passende Fördermodelle des Staates müssen die mittelständischen Unternehmen dabei unterstützen.

Nachhaltige Energie für eine Gesellschaft mit Werten

Geothermie ist eine Investition in eine nachhaltige Zukunft: Wir haben unter anderem berechnet, dass entlang der gesamten Wertschöpfungskette allein in Deutschland rund 300.000 bis 500.000 neue Arbeitsplätze entstehen werden. Es ist ein gigantischer Arbeitsmarkt mit qualifizierten Tätigkeiten – von Wissenschaftlerinnen und Ingenieuren für die Untergrunderschließung und Technologieentwicklung bis hin zu den Technikerinnen und Technikern für die Wärmenetze und Installateurinnen und Installateuren, die sich mit Wärmeerzeugern auskennen. Für diesen Arbeitsmarkt müssen wir jährlich rund 15.000 bis 20.000 Menschen qualifizieren.

Dieser Umbau des Energiesystems ist eine der größten gesellschaftlichen Veränderungen seit Beginn der Industrialisierung. Wir werden wieder zu einer dezentralen Energieerzeugung zurückkehren – allerdings auf einem sehr viel höheren technologischen Niveau. Jede und jeder von uns wird gleichermaßen Energieerzeuger wie -verbraucher sein.

Wir kommen in eine neue gesellschaftliche Phase, in der wir uns wieder mehr miteinander vernetzen müssen. Die jetzige Situation ist daher für mich kein Grund für Pessimismus. Jetzt ist unsere Chance, unsere Bedürfnisse wieder lokal decken zu können und dies so zu gestalten, wie es unseren gesellschaftlichen und klimapolitischen Werten entspricht.

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Conclusio

Fakten. Verstehen. Handeln.

Die Geothermie gehört zu den effizientesten Wärmetechnologien und wurde bereits vor mehr als 11.000 Jahren genutzt. Der Fokus auf fossile Energieträger in der Industriellen Revolution hat dazu geführt, dass die Geothermie nie in nennenswertem Umfang genutzt wurde, obwohl es zahlreiche Beispiele für erfolgreiche Anlagen auch der Tiefen Geothermie gibt. Da die Wärmeenergie rund 50 Prozent des Energiebedarfs ausmacht, ist ein Umstieg auf emissionsarme Wärmequellen jetzt notwendig. Die Tiefe Geothermie sollte auf- und ausgebaut werden, um eine autonome, zuverlässige und klimaneutrale Wärmeversorgung sicherzustellen. Heute stehen Technologien zur Verfügung die auch die kostspieligen Bohrungen günstiger machen. Die Tiefe Geothermie verlangt Umdenken in vielen Berufen und in der Forschung, sie ist ein Innovationsmotor.

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