Energiewende: Wie Geothermie Gaskraftwerke ersetzen kann

Neue geothermische Verfahren können fast überall Wärme und Strom liefern, zeigen neue Studien. Und das bedeutet auch: In Deutschland ist ihr Potential noch lange nicht ausgeschöpft.In der Europäischen Union könnten klimafreundliche Geothermie-Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von 43 Gigawatt entstehen. Zu diesem Schluss kommt eine Analyse des Energie-Thinktanks Ember. Das entspricht ungefähr der Leistung von fünfzig großen Gaskraftwerken. Dabei sollen die Erzeugungskosten nahe oder unter denen von Kohle- und Gaskraftwerken liegen. Zu den Ländern mit dem höchsten Potential zählen Frankreich, Ungarn, Polen, Deutschland und die Niederlande.Die Nutzung von Wärme aus dem Erdinnern ist alles andere als neu. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts war es im toskanischen Laparello gelungen, mit heißem Wasser aus den örtlichen Thermalquellen Strom zu erzeugen. Lange Zeit war das geothermische Potential jedoch auf wenige Regionen begrenzt. Dazu zählen Gebiete mit hoher vulkanischer Aktivität, etwa in Island oder in Italien, in denen heißes Wasser im Untergrund zirkuliert, oder durchlässige Sedimentbecken aus Sand-, Ton- oder Kalkstein mit heißen Thermalquellen.Die Durchlässigkeit der Gesteinsformationen ist entscheidend, damit kaltes Wasser in die Tiefe gepumpt werden und als heißes Wasser zurück an die Oberfläche gelangen kann. Mit den neuen Geothermie-Systemen ändert sich das jetzt grundsätzlich. Entscheidend für die neue Geothermie-Generation sind sogenannte petrothermale Systeme.Heiße Gesteinsschichten erhitzen kaltes WasserAnders als die konventionelle Geothermie nutzt die neue Technik heißes, trockenes und undurchlässiges Gestein in einer Tiefe von drei bis vier Kilometern. Dabei wird kaltes Wasser in künstlich erzeugte Risse injiziert, um bereits bestehende Klüfte im Gestein aufzuspalten und Fließwege zu erzeugen. So erreicht das kalte Wasser die heißen Gesteinsschichten im Untergrund, entzieht ihnen Wärme und kommt als heißes Wasser an die Oberfläche zurück.Genauso wie in der konventionellen Geothermie entsteht auf diese Weise ein geschlossener Kreislauf. Allerdings erweitern sich die möglichen Standorte erheblich. Doch inwiefern beeinflussen die künstlichen Bohrungen die Stabilität des Untergrunds? Thomas Kohl, der Geothermie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erforscht, hält petrothermale Systeme für unbedenklich. Entscheidend sei, dass es sich bei den Bohrungen um kleinräumige Aufspaltungen handelt, die ein Gebiet mit einem Radius von fünfzig bis hundert Metern betreffen. Damit bestehe keine Erdbebengefahr. Die Trinkwasserversorgung sei ebenfalls nicht betroffen. „In einer Tiefe von vier Kilometern befindet sich kein Trinkwasser, sondern salinares Grundwasser.“ Das ist Wasser mit einem erhöhten Salzgehalt, das sich nicht zum Trinken eignet.Geschlossene Rohrsysteme im WärmetauschEine weitere Alternative zur klassischen Geothermie sind die Closed-Loop-Systeme. Das sind geschlossene Rohrsysteme im Untergrund, in denen ein Arbeitsmedium wie Wasser oder Sole zirkuliert. Anders als bei den petrothermalen Systemen heizt sich das Wasser ausschließlich über Wärmetauscher auf und berührt das Gestein nicht. Galten diese Systeme lange Zeit nur für die oberflächennahe Geothermie bis zu einer Tiefe von 400 Metern als realisierbar, gab es in den letzten Jahren Fortschritte. So ging im Jahr 2023 in Geretsried eine Pilotanlage in Betrieb, die als Wärmequelle ein Thermalwasserreservoir in 4736 Metern Tiefe mit einer Temperatur von 155 Grad nutzt.Alternative geothermische Systeme werden bereits seit den Siebzigerjahren erforscht, doch lange Zeit galt die Technik als zu teuer, um fossilen Energieträgern gegenüber wettbewerbsfähig zu sein. Das ändert sich nun, da die Strom- und Wärmeversorgung aus Klimaschutzgründen weitgehend dekarbonisiert werden soll. Klimafreundliche geothermische Systeme haben den Vorteil: Sie liefern kontinuierlich Energie. Dadurch federn sie die Ertragsschwankungen von Solar- und Windparks ab und können sowohl Wärme als auch Strom bereitstellen. Bei der Wärme zeigt sich bereits heute, was Geothermie leisten kann.Geothermie in die FernwärmenetzeBeispielsweise versorgen im ungarischen Szeged neun geothermische Systeme über 20.000 Wohnungen mit Fernwärme. München will bis 2040 seinen Bedarf an Fernwärme ausschließlich über die Geothermie decken. Allerdings handelt es sich in beiden Fällen um Orte mit idealen Voraussetzungen: München liegt über dem bayerischen Molassebecken, das über heißes Thermalwasser in Tiefen von zwei- bis dreitausend Metern verfügt. Auch in Szeged liegt 100 Grad heißes Wasser in zweitausend Metern Tiefe, der Sedimentboden ist dort zudem sehr durchlässig. Ziel der aktuellen Forschung ist, über petrothermale Systeme Geothermie auf Regionen zu erweitern, in denen die geologischen Voraussetzungen nicht so günstig sind. Darüber forscht unter anderem das „Utah-Forge-Projekt“ in den USA. Das vom US-Energieministerium unterstützte Testfeld bei Milford dient als unterirdisches Labor für Bohr-, Stimulations- und Messtechniken. Ebenfalls treibt das Unternehmen Fervo in Utah ein Projekt mit petrothermaler Geothermie voran, das bis zum Jahr 2028 gut 500 Megawatt liefern soll. Dabei überträgt es Verfahren aus der Öl- und Gasindustrie auf die Geothermie. Beispielsweise sollen horizontale Bohrungen höhere Durchflussraten und größere Kontaktflächen ermöglichen.Doch wie entsteht aus Erdwärme Strom? Bei ausreichend hohen Temperaturen lässt sich der Dampf genauso wie bei Gaskraftwerken direkt auf eine Turbine leiten. Häufiger sind jedoch Flash-Anlagen: Heißes Tiefenwasser mit mehr als 150 Grad steigt unter hohem Druck auf, entspannt sich an der Oberfläche und verdampft schlagartig. Der entstandene Dampf treibt die Turbine an. Für Temperaturen unter 160 Grad eignen sich binäre Kraftwerke. Dabei bleibt das Tiefenwasser in einem separaten Kreislauf und erhitzt über einen Wärmetauscher einen organischen Stoff mit niedrigerem Siedepunkt, etwa Pentan, Isobutan oder andere Kohlenwasserstoffe.Das Potential, Strom zu erzeugen, schätzt die Ember-Studie optimistisch ein: Allein in der EU könnten künftig 301 Terawattstunden pro Jahr mit Geothermie erzeugt werden. Das entspricht rund 42 Prozent des im Jahr 2025 in der EU erzeugten Stroms aus Kohle- und Gaskraftwerken. Thomas Kohl geht indessen davon aus, dass für Stromerzeugung in dieser Größenordnung mehr Forschung und dafür Unterstützung durch die Politik notwendig sein wird. „Wir brauchen grundlastfähige Energie, und die kann die Geothermie liefern.“