Expert:innen: Lyesse Laloui (EPFL)
Geothermische Energie aus unterschiedlicher Tiefe kann sowohl zum Heizen und Kühlen von Gebäuden, aber auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Während die Schweiz bei der untiefen Geothermie eine im weltweiten Vergleich sehr hohe Dichte an Anlagen aufweist, steckt die Nutzung der tiefer im Untergrund liegenden Wärmequellen mit höheren Temperaturen noch in den Kinderschuhen. Die Geothermie könnte aber einen wichtigen Beitrag leisten, das Netto-Null-Ziel der Schweiz bis 2050 zu erreichen. Um das volle Potenzial zu nutzen, wäre eine koordinierte nationale Initiative zum besseren Verständnis der Geologie und zur Nutzung der geothermischen Energie hilfreich. Darüber hinaus müssten dringend Möglichkeiten zur Rückgewinnung von Energie aus unterirdischen Infrastrukturen wie Tunneln oder Tiefgaragen gefunden werden.
Bild: Matt Palmer, Unsplash
Geothermische Energie ist natürliche Wärmeenergie aus dem Erdinneren. Sie stammt aus der Entstehung des Planeten, entsteht aber auch fortlaufend durch den radioaktiven Zerfall von Mineralien und durch die an der Oberfläche absorbierte Sonnenenergie. 99 Prozent des Erdvolumens weisen eine Temperatur von über 1000 Grad Celsius und nur 0,1 Prozent eine Temperatur von unter 100 Grad Celsius auf. Geothermische Systeme sind Technologien, die diese Energie nutzen. Eine häufige Klassifizierung bezieht sich auf die Nutzungstiefe: Liegt sie zwischen 0 und 400 Metern, werden die Systeme als untief eingestuft; über 400 Meter als tief. Untiefe Systeme arbeiten mit niedrigen Temperaturen bis 25 Grad Celsius, während tiefe Systeme mittlere bis hohe Temperaturen von 25 bis 200 Grad Celsius ausnutzen.
Geothermische Systeme bestehen aus drei Hauptkomponenten: einer Wärmequelle, einer Wärmesenke und einem Wärmetauscher, der die Wärme zwischen der Quelle und der Senke überträgt. In der Regel, also bei der Heizung, ist die Wärmequelle das Erdreich und die Wärmesenke ein Gebäude, aber auch der umgekehrte Fall ist möglich. Geschlossene Systeme verwenden ein Wassergemisch als Wärmetauscher, das durch abgedichtete Rohre zirkuliert, während offene Systeme für den Wärmeaustausch Grundwasser entnehmen oder einspeisen.
Im Boden bleibt die Temperatur unterhalb von 10 bis 15 Metern unter der Oberfläche relativ stabil: im Winter wärmer als die Atmosphäre und im Sommer kühler. Untiefe Systeme nutzen Untergrundtemperaturen von etwa 25 Grad Celsius, die mit den verbreiteten vertikalen geothermischen Bohrungen in einer Tiefe von 50 bis 300 Metern erschlossen werden. In diesen Systemen mit geschlossenem Kreislauf wird das unterirdische Energiereservoir für Heizung und Warmwasser sowie im Sommer für die Kühlung genutzt, indem der Prozess umgekehrt und Wärme aus dem Gebäude im Untergrund gespeichert wird. Anwendungen mit Einzelbohrungen beschränken sich auf einzelne kleinere Gebäude wie Einfamilienhäuser in fast jeder geografischen Lage; für die Versorgung grösserer Bauwerke werden Bohrfelder benötigt. Die Schweiz ist das Land mit der weltweit höchsten Dichte untiefer Bohrungen und produzierte im Jahr 2021 5,5 Prozent des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser mit solchen geothermischen Systemen.
Tiefengeothermische Systeme basieren auf Untergrundtemperaturen zwischen 25 und 200 Grad Celsius und werden für Heizung, Warmwasser und Stromerzeugung genutzt. Diese Systeme eignen sich für grössere Überbauungen, sind aber im Gegensatz zu untiefen Systemen von spezifischen geologischen Bedingungen abhängig. Hydrothermale Systeme nutzen das natürlich vorkommende heisse Wasser in einer Tiefe von 1000 bis 4000 Metern und gewinnen es für die Fernwärmeversorgung, aber auch für die Beheizung von grossen Industrie- oder Landwirtschaftsgebäuden. Ihre Anwendung ist aber wegen der Notwendigkeit von Heisswasservorkommen im Untergrund begrenzt. Im Gegensatz dazu arbeiten petrothermale Systeme ohne Wasser im Untergrund; sie injizieren Wasser von der Oberfläche durch Bohrlöcher bis in eine Tiefe von 4000 bis 6000 Metern. Das Wasser zirkuliert durch Risse im Gestein, erwärmt sich und wird zur Nutzung an die Oberfläche zurückgepumpt. Die in dieser Tiefe vorhandene Wärmeenergie kann für die Stromerzeugung genutzt werden.
Die Nutzung der Geothermie war bisher hauptsächlich durch die Konkurrenz billiger Alternativen und fehlende Akzeptanz begrenzt, weniger aufgrund des technischen Fortschritts. Da jedoch die Preise für fossile Brennstoffe steigen und das Verständnis für die verfügbaren geothermischen Ressourcen zunimmt, dürften geothermische Technologien eine immer grössere Rolle im zukünftigen Strommix sowie bei der Heizung und Kühlung von Gebäuden spielen.
Geothermische Energie ist nach Sonnenenergie die zweithäufigste Primärenergiequelle der Welt. Diese erneuerbare Energiequelle wird als nachhaltig eingestuft und verursacht minimale Treibhausgasemissionen. Ausserdem ist sie unabhängig von den Wetterbedingungen und der Jahreszeit kontinuierlich verfügbar. Dank der Nutzung von Geothermie können CO2-Emissionen und die Abhängigkeit von Energieimporten reduziert werden, was angesichts der aktuellen Energiekrise und des Netto-Null-Treibhausziels der Schweiz bis 2050 bedeutend ist. Denn 75 Prozent des Energieverbrauchs eines Gebäudes gehen auf das Konto der thermischen Energie, wovon mehr als 50 Prozent durch fossile Brennstoffe wie Öl oder Gas erzeugt wird. Die 4,6 Terawattstunden Wärme, die im Jahr 2021 in der Schweiz geothermisch erzeugt wurden, führten zu einer Einsparung von umgerechnet 403'000 Tonnen Heizöl und der Vermeidung von 1'274'700 Tonnen CO2-Emissionen, was mehr ist, als die Stadt Zürich jährlich produziert.
Die Nutzung des Potenzials der mittleren und tiefen Wärmequellen steckt in der Schweiz noch in den Kinderschuhen. Generell ist es erforderlich, den geologischen Untergrund der Schweiz und das damit verbundene geothermische Potenzial besser zu verstehen. Das vereinfacht neue Projekte sowie die Wahl geeigneter neuer Bohrstandorte und minimiert die Risiken wie die Gefahr, während Bohrungen für tiefe Geothermie Erdbeben auszulösen, wie dies auch schon geschah. Weltweit und auch in der Schweiz sind zahlreiche Forschungsteams damit beschäftigt, das Verständnis künstlicher Erdbeben zu verbessern. Das Schweizer Projekt GEOBEST überwacht die bisherigen Tiefengeothermieprojekte; die gewonnenen Daten sind die Basis für Vorhersagemodelle für künstlich erzeugte Beben. Nicht zu vernachlässigen ist das Risiko, bei der Erschliessung eines geothermischen Reservoirs eine unzureichende Thermalwasserförderrate zu erzielen und/oder eine zu geringe Lagerstätten temperatur anzutreffen. Dies führt dazu, dass sich die hohen Initialkosten nicht rechnen. Geothermische Bohrungen bergen auch die Gefahr, Boden und Grundwasser negativ zu beeinflussen oder zu verschmutzen. Zudem stehen sie in Konkurrenz mit unterirdischen Gasspeichern und der angestrebten Speicherung von CO2 im Untergrund.
Die Bevölkerung steht der Technologie skeptisch gegenüber, wobei vor allem die Angst vor induzierten Erdbeben weit verbreitet ist. Insbesondere die Möglichkeit, geothermische Bohrungen im Sommer zum Kühlen von Gebäuden zu nutzen, haben die Bürger:innen noch nicht ausreichend zur Kenntnis genommen.
Geothermie zur Stromerzeugung spielt in der aktuellen Energiestrategie eine untergeordnete Rolle. Wegen der zeitaufwendigen Erkundung und der unsicheren Chancen auf Erfolg wird davon ausgegangen, dass bis 2035 nur die bereits geplanten Tiefengeothermieprojekte realisiert werden. Ein koordinierter nationaler Ansatz zum besseren Verständnis der Geologie und zur Nutzung der geothermischen Energie auf lokaler und regionaler Ebene könnte hilfreich sein. Auch die Möglichkeit, Energie aus der bebauten Umwelt rückzugewinnen, sollte vermehrt ins Auge gefasst und in die Planung miteinbezogen werden. Es werden Geostrukturen genutzt, also Bauteile von Gebäuden, die in direktem Kontakt mit der Erde stehen und Wärme leiten können. Dazu gehören zum Beispiel sogenannte Energiepfähle, Bodenplatten oder Wände von Untergeschossen und Tiefgaragen, die wie eine Wärmesonde wirken. Öffentlichkeitsarbeit und transparente Kommunikation können den Ängsten der Bevölkerung entgegenwirken.
