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Abhängig von der Tiefe und der genutzten Wärme lassen sich zwei Formen der Geothermie unterscheiden: Tiefengeothermie und oberflächennahe Geothermie (bis ca. 400 Meter). Der Schweizerische Erdbebendienst befasst sich ausschliesslich mit der Tiefengeothermie, weil diese gemäss aktuellem Kenntnisstand die einzige Form ist, die zu induzierten Erdbeben führen kann. Welche anderen Eingriffe in den Untergrund induzierte Beben auslösen können, finden Sie hier.
Die nachfolgenden Erläuterungen haben zum Ziel, die zentralen Begriffe rund um das Thema Geothermie kurz zu erläutern und sind aus verschiedenen, referenzierten Quellen zusammengetragen.
Die Tiefengeothermie greift auf Gesteinsstrukturen zu, die mindestens 400 Meter tief im Erdreich liegen. Abhängig von den Temperaturen im Untergrund sind unterschiedliche Nutzungen möglichen.
In 400 bis 2‘000 Metern Tiefe liegende Aquifere (wasserführende Schichten) weisen Temperaturen von 20 bis 70 °C auf. Das darin vorhandene Thermalwasser eignet sich nicht nur zum Baden, sondern auch für die Wärmegewinnung. Ähnliches ist mit Anlagen möglich, welche sich die Entwässerungen von Tunnelbauten zunutze machen (BFE, Nutzung der Erdwärme - Überblick, Technologie, Visionen).
In 4‘000 Tiefe betragen die Temperaturen in der Schweiz zwischen 150 und 200 °C. Geothermieprojekte, welche auf diese Gesteinsschichten zugreifen, nutzen in der Regel einen Teil der gewonnenen Energie direkt zur Stromproduktion. Der Rest kann in ein Fernwärmenetz eingespeist werden.
Es lassen sich zwei Systeme zur Energiegewinnung in grossen Tiefen unterscheiden: petrothermal und hydrothermal.
Bei petrothermalen Systemen werden über mehrere Tage hinweg einige zehntausend Kubikmeter Flüssigkeit (1 m3 = 1000 l) – in der Regel Wasser- unter hohem Druck in den Untergrund gepresst, typischerweise in das kristalline Grundgebirge. Ziel ist es dabei, die zahlreichen im zukünftigen Reservoir existierende Bruchsysteme zu reaktiveren. Mittels unterschiedlich grosser Mikrobeben wird die Durchlässigkeit des Gesteins für die Wasserzirkulation permanent erhöht. Dabei entsteht ein für die geothermische Nutzung optimiertes Kluftsystem (im Englischen als „Enhanced Geothernal System (EGS)“ bezeichnet). Dieses dient als unterirdisches Reservoir, in dem Flüssigkeit zirkuliert und sich erwärmt. Die mit diesem Prozess einhergehenden Mikrobeben werden intensiv überwacht. Einerseits, um die induzierte Seismizität bestmöglich kontrollieren zu können (siehe Massnahmen zur Eindämmung induzierter Seismizität). Anderseits, um Rückschlüsse auf den Zustand und die räumliche Ausdehnung des stetig wachsenden Reservoirs zu ziehen. Anschliessend wird über eine zweite Bohrung ein künstlicher Kreislauf erstellt, der die mit Hilfe der Erdwärme erhitzte Flüssigkeit an die Oberfläche fördert. Die Flüssigkeit zirkuliert dabei in einem nur teilweise geschlossenen Kreislauf, wobei der Reservoirdruck und der Flüssigkeitsdurchfluss durch die ausgeglichenen Förder- und Produktionsraten gesteuert werden.
Das Verfahren zur Erhöhung der Durchlässigkeit, Stimulation genannt, löst immer kleinere Erdbeben aus. Die Erdbeben sind demnach kein unerwünschter Nebeneffekt, sondern das Werkzeug, mit dem im Untergrund gearbeitet wird. Die allermeisten dieser Erdbeben sind so klein, dass sie von Menschen nicht verspürt werden. Die Kunst der Stimulation besteht darin, ein Kluftsystem so zu erzeugen, dass es ein möglichst grosses Volumen gleichmässig durchströmt, ohne dabei einen „Abkürzung“ zu erzeugen. Eine solche entsteht, wenn Wasser zu schnell und ohne sich genügend aufzuwärmen von einem Bohrloch zum anderen strömt. Gleichzeitig gilt es, grosse Erdbeben zu vermeiden, die zu Schäden führen. Wie dieser Balanceakt am besten zu bewerkstelligen ist, untersuchen Wissenschaftler und Industrievertreter weltweit intensiv. Hintergrundinformationen dazu finden Sie in den Geothermie Roadmaps (auf Englisch) des Schweizer Kompetenzzentrum für Energieforschung – Strombereitstellung (SCCER-SOE).
Das petrothermale System, früher auch „Hot-Dry-Rock-Verfahren“ oder „Deep Heat Mining“ genannt, wurde unter anderem in Basel angewendet. Petrothermale Systeme lassen sich grundsätzlich in der gesamten Schweiz realisieren. Ein kommerzielles petrothermales System sollte ungefähr 50 bis 200 Liter Wasser pro Sekunde mit einer Temperatur von 150 bis 180 °C liefern, um wirtschaftlich interessant zu sein. Zudem sollte sich die Wassertemperatur während der ungefähr dreissigjährigen Betriebszeit nur langsam reduzieren.
Hydrothermale Systeme nutzen im Prinzip bereits bestehende wasserführende Gesteinsschichten (Aquifere) in Sedimenten, um das dort natürlich vorhandene heisse Wasser an die Oberfläche zu fördern. Für eine rentable Stromerzeugung benötigt es Aquifere mit heissem Wasser von 100 °C oder mehr (Thermalquellen erreichen diese Temperaturen in der Regel nicht). Nach Entzug der Wärme wird das abgekühlte Wasser manchmal durch eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund gepumpt. Vorausgesetzt, dass ein ausreichender Wasserfluss in der Tiefe besteht, ist bei diesem System in der Regel nur eine geringfügige Stimulation des Gesteins notwendig. Das hat zur Folge, dass verglichen mit petrothermalen Systemen nicht zwingend Mikrobeben auftreten.
Das Geothermieprojekt in St. Gallen baute auf einem hydrothermalen System auf. Hydrothermale Systeme sind auf bestehende Aquifere mit ausreichender Klüftigkeit und genügend hohen Temperaturen angewiesen, weshalb sie sich nur an bestimmten Standorten realisieren lassen. Eine aufwendige seismische Vorerkundung ist deshalb oft eine Bedingung, um einen geeigneten Standort zu identifizieren
Zur oberflächennahen Geothermie gehören Erdwärmesonden beziehungsweise Erdwärmesondenfelder, Grundwasserwärmenutzungen sowie Energiepfähle und Geostrukturen Die oberflächennahe Geothermie dringt maximal 400 Meter tief in den Untergrund (BMU Broschüre "Tiefe Geothermie - Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland") und bewegt sich dort in Schichten, die zwischen 8 und 20 °C warm sind (BFE Broschüre "Nutzung der Erdwärme").
Am häufigsten werden Erdwärmesonden eingesetzt, um Wärmepumpen zu betreiben. Sie beziehen Wärme aus der Erde, der Luft oder dem Wasser. Oberflächennahe Geothermie mit Erdwärmesonden kann für die Raumheizung und Warmwasseraufbereitung genutzt werden, wobei derartige Pumpen zusätzlich elektrische Energie benötigen. Eine Wärmepumpe basiert auf dem Prinzip des umgekehrten Kühlschranks, braucht also auch zugeführte Energie (einen genaueren Beschrieb finden Sie auf der Webseite der Fachvereinigung für Wärmepumpen Schweiz). Sofern eine Tiefe von rund 200 Metern nicht überschritten wird, lassen sich Erdwärmesonden im Sommer auch zur Raumkühlung einsetzen (St. Galler Stadtwerke "Ökologische Energie aus der Tiefe").
Bei der oberflächennahen Geothermie sind aufgrund der geringen Tiefen und den in der Regel geschlossenen Systemen keine induzierten Erdbeben zu befürchten.