Seit rund 30 Jahren wird in der Schweiz Geothermie betrieben und die Wärmeproduktion aus der untiefen Geothermie ist heute fest etabliert. Die Stromproduktion aus der tiefen Geothermie steht dagegen noch in ihren Anfängen.

Geologe Dr. Roland Wyss, Schweizerische Vereinigung für Geothermie

Geologe Dr. Roland Wyss, Schweizerische Vereinigung für Geothermie

In der südlichen Toskana liegt das Tal des Teufels. Wie dieses rund 200 Quadratkilometer grosse Gebiet zu seinem Namen kam, kann man gut nachvollziehen. Schon in der Antike erfreuten sich die Römer an den hier aus dem Boden herausschiessenden Dampffontänen und badeten in den warmen Quellen der Region. Man wusste: unweit der Erdoberfläche war es heiss und man stand an der vermeintlichen Schwelle zum Reich des Pluton, des Gottes der unterirdischen Reichtümer. Ab dem frühen 20. Jahrhundert machten sich dann findige Ingenieure daran, letztere auch kommerziell zu nutzen. So entstand in Lardarello 1913 das erste geothermische Kraftwerk der Welt. Durch das Pumpen von kaltem Wasser in den heissen, nahe der Erdoberfläche gelegenen Granit entstand Dampf, der für die Stromproduktion in Turbinen und Generatoren genutzt werden konnte. Noch heute stammt ca. 1.5 % der italienischen Stromproduktion von hier und versorgt durch dieses über 100 Jahre alte Verfahren 1 Million Haushalte mit Strom. Geothermie ist auch in der Schweiz ein Thema und wird hierzulande seit rund 30 Jahren genutzt. Die Voraussetzungen dafür gestalten sich aber anders als in Lardarello. «Im Gegensatz zu anderen Ländern ist der Untergrund in der Schweiz relativ kalt. Daher muss bei uns auch oft tiefer gebohrt werden um das Potential der Geothermie auszuschöpfen.» Als erneuerbare Energie spielt die Geothermie in der Energiestrategie 2050 des Bundes eine Rolle. powernewz.ch sprach mit dem Geologen Dr. Roland Wyss von der Schweizerischen Vereinigung für Geothermie über die Entwicklung der Geothermie bei uns, ihre verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten, ihr enormes Potential, ihre Akzeptanz in der Gesellschaft und auch darüber, warum es in der jüngeren Vergangenheit wieder etwas ruhiger um Sie geworden ist.

Grundlagen und Nutzpotential

Der Begriff Geothermie leitet sich aus den griechischen Worten «geo» für Erde und «thermos» für warm ab. Die Geothermie bezeichnet sowohl die Wissenschaft, die thermische Phänomene im Untergrund untersucht, als auch die Verfahren, mit denen solche industriell genutzt werden können. Industriell genutzt meint in diesem Zusammenhang heute hauptsächlich die Förderung von Wärme aus dem Erdinnern. Bis in eine Tiefe von 10 bis 20 Metern wird die Erdtemperatur in der Schweiz durch die Sonneneinstrahlung und die klimatischen Verhältnisse bestimmt. «Ab dann gilt für die Verhältnisse im Schweizer Mittelland die Faustregel, dass es pro km Tiefe rund 30 Grad wärmer wird.» Man spricht in diesem Zusammenhang vom sogenannten «geothermischen Temperaturgradienten». Die Wärme im Untergrund resultiert einerseits aus den Zerfall radioaktiver Isotope im Erdinnern und andererseits aus der Energie, die bei der Entstehung unseres Planeten freigesetzt wurde. Das Potential der Geothermie ist gross. Aber auch von zahlreichen Variablen abhängig. Je nach Tiefe und geologischer Situation kann es zur Nutzung von Wärme und Elektrizität, aber auch zum Kühlen verwendet werden. Man spricht einerseits von untiefer (bis 500m), von mitteltiefer (bis 3000m) und von tiefer Geothermie (über 3000 m) und andererseits von hydrothermalen und petrothermalen Systemen mit offenem oder geschlossenem Kreislauf für deren Nutzung. «In der Schweiz wird die Geothermie hauptsächlich zur Produktion von Wärme genutzt.» Heute macht sie ca. 3 bis 4 Prozent der Schweizer Wärmeproduktion aus. «Fossile Brennstoffe sind endlich und ihre Preisentwicklung nicht abschätzbar. Heizen mit Erdwärme, wo das ökonomisch und technisch vernünftig machbar ist, ist sinnvoll. Es wäre schade, wenn eine so gute Energiequelle nicht genutzt wird.» Strom wird in der Schweiz bis anhin noch keiner aus der Geothermie gewonnen. «Die Stromgewinnung aus der Tiefengeothermie befindet sich in der Schweiz heute noch im Experimentierstadium.»

Geothermische Energie aus dem Erdinnern und ihre Anwendungsmöglichkeiten (Quelle Geothermie Schweiz).

Geothermische Energie aus dem Erdinnern und ihre Anwendungsmöglichkeiten (Quelle Geothermie Schweiz).

Anwendungsmöglichkeiten und Techniken

Am weitesten verbreitet im Bereich der untiefen Geothermie in der Schweiz sind Erdwärmesonden. Sie sind praktisch überall in der Schweiz realisierbar und rund 90‘000 davon stehen heute bereits im Einsatz. In der Sonde, die in eine Tiefe zwischen 100 und 300 m (Temperatur hier zwischen 15 und 20 Grad C) tief in die Erde gesetzt wird, zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf, die dem Untergrund Wärme entzieht und diese zu einer Wärmepumpe im darüber gelegenen Gebäude transportiert. Im Winter lässt sich damit heizen und im Sommer kühlen. Für Anwendungen in geringerer Tiefe und unterschiedlichen strukturellen Anforderungen, aber grundsätzlich nach gleichem Prinzip, stehen alternativ Erdwärmekörbe, Erdwärmeregister oder Erdwärmesondenfelder und Geostrukturen zur Auswahl. Die grösste Anwendung finden diese Systeme bei Ein- und Mehrfamilienhäuser, aber auch bei Gebäuden in der Industrie. Im Bereich der mitteltiefen Geothermie bis 3000 m (Temperatur hier zwischen 20 und 100 Grad C) werden hydrothermale Systeme mit offenem Kreislauf für die Nutzung des natürlich vorkommenden, warmen Wassers eingesetzt. Ihre potentielle Verwendung ist gleichfalls vielseitig. Am bekanntesten ist sicher diejenige in Thermalbädern. Aber auch für Mehrfamilienhäuser, Landwirtschafts- und Industriebetriebe eignet sich das Verfahren. Ab einer Tiefe von 3000 Metern steigt die Temperatur im Untergrund der Schweiz auf über 100 Grad C an. Eine zentrale Voraussetzung für die Produktion von Strom. In diesem Bereich der Tiefengeothermie können hydrothermale und petrothermale mit offenem Kreislauf zur Anwendung kommen. Bei ersteren wird dem heissem Wasser für die Verwendung in der Landwirtschaft und der Industrie schrittweise Temperatur entzogen und danach an die Oberfläche gepumpt. Anders als bei der hydrothermalen Geothermie in dieser Tiefe wird bei der petrothermalen Geothermie Wärme genutzt, die in kristallinem Gestein vorhanden ist. Mittels hydraulischer Stimulation wird die Durchlässigkeit des Gesteins hier erhöht und damit künstlich ein geothermisches Reservoir geschaffen, in dem sich von der Oberfläche injiziertes Wasser erhitzt und später für die Produktion von Strom verwendet werden kann. Dieses Verfahren steht in der Schweiz noch am Anfang und sorgte in der jüngeren Vergangenheit auch für Kritik. So lösten Tiefenbohrungen 2006 in Basel und 2013 in St. Gallen seismische Aktivitäten aus Die Erkundungsbohrung in Zürich im Jahr 2009 zeigte jedoch, dass es möglich ist, unter anspruchsvollen Voraussetzungen eine solche Bohrung ohne nennenswerte Probleme und unfallfrei durchzuführen.

Stromproduktion aus der Tiefengeothermie

Bis anhin existieren in der Schweiz rund 160 Bohrungen mit einer Tiefe zwischen 600 m und 3000 m und 11 mit einer Tiefe von über 3000 Metern. Das ist wenig. „Über die Beschaffenheit des Untergrundes in der Schweiz in grosser Tiefe sind wir heute relativ schlecht informiert.» Die Gründe dafür sind vielseitig. «Einerseits gibt es hierzulande relativ wenig seismische Untersuchungen, über die man Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Untergrundes ziehen könnte und andererseits wurde in der Vergangenheit auch sehr wenig Erdöl- und Erdgasforschung in der Schweiz betrieben von der die Geothermie hätte profitieren können.» Zum Vergleich: Im benachbarten Bundesland Bayern kommen 8 Tiefenbohrungen auf eine Fläche von 1000 km². Im Schweizer Mittelland ist es eine. Als erneuerbare Energie kommt der Geothermie in der Energiestrategie 2050 des Bundes eine ambitionierte Rolle zu und erfährt von dieser Seite auch Unterstützung in Form von Risikodeckungen bei Projekten oder der kostendeckenden Einspeisevergütung (KEV). Bis 2050 sollen 4.4 TWh Strom aus ihr gewonnen werden und damit 7.7% des Schweizer Stromverbrauchs decken. Da die petrothermale Geothermie das höchste Potential zur Stromgewinnung in sich birgt, ist das Ziel hochgesteckt. Zumal sie mit Risiken verbunden ist und ihre Anfangsinvestitionen relativ hoch sind. Ausser Frage steht das enorme Potential der Tiefengeothermie. Experten schätzen es im Bereich der Stromproduktion auf 80‘000 TWh.  «In der jüngeren Zeit konnte die Forschung zur Geothermie intensiviert werden. Sie beschränkt sich aber oft auf die Optimierung von Systemen der untiefen und mitteltiefen Geothermie.» Was Wyss damit anspricht ist ein zentraler Aspekt der ganzen Energiedebatte. Für die erfolgreiche Implementierung von erneuerbaren Energien ist nicht nur der Aufbau vom notwendigen Know-How dazu, sondern auch ein Transfer desselben in die Wirtschaft und, damit verbunden, eine erfolgreiche Erprobung und Vermarktung der entsprechenden Technologien notwendig. Für den Bereich der Tiefengeothermie müssten zur Stromgewinnung heute mehr Bohrprojekte realisiert werden, um diesen Weg zu beschreiten. Erst damit wäre ein zentraler Schritt für das erfolgreiche Einbringen der Tiefengeothermie in der Stromproduktion und auch für dessen künftige gesellschaftliche Akzeptanz getan. Die Hürden dafür liegen hoch.

Kampf der Energien

Die Nutzung der untiefen Geothermie im Bereich der Wärmeproduktion ist in der Schweiz ein Erfolgsmodell. «Trotzdem stagniert ihr Voranschreiten seit etwa fünf Jahren auf einem sehr hohen Niveau.» Der Hauptgrund dafür sind die Investitionskosten, die bei Geothermie-Heizungen anfänglich höher ausfallen, im späteren Betrieb aber bedeutend tiefer sind. «Bis vor 10 Jahren wurde gesagt, dass Öl oder Gas nur noch teurer werden. Das Gegenteil ist eingetreten.» Für Bauherren ist das im Moment oft ein handfester, wirtschaftlicher Fakt einer Öl- oder Gasheizung den Vorzug zu geben. Die künftige Kostenentwicklung der traditionellen Energien bleibt indes ungewiss. Momentan steht die Geothermie, wie alle erneuerbaren Energien, zu diesen traditionellen Energien in einem starken Wettbewerb. Das Dilemma dabei ist, dass so einer sauberen, quasi unendlichen Energiequelle momentan noch weniger den Vorzug gegeben wird, als den traditionellen, endlichen Energien. Auch hier ist mittel- bis längerfristig ein Umdenken gefragt, wenn die Energiewende in der Schweiz dereinst einmal Realität werden soll. 

Remo Boretti