Geothermie , livre ebook

Ingrid Stober und Kurt Bucher

Geothermie 3. Aufl. 2020

Ingrid Stober

Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften, University of Freiburg, Freiburg, Baden-Württemberg, Deutschland
Kurt Bucher

Universität Freiburg, Mineralogie und Petrologie, Freiburg, Deutschland
ISBN 978-3-662-60939-2 e-ISBN 978-3-662-60940-8
https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8
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Planung und Lektorat: Stephanie Preuß, Martina Mechler

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Vorwort

Die Geothermie bietet eine nahezu unerschöpfliche Quelle zur Wärmebereitstellung und zur Erzeugung von Strom. Geothermie ist klimaschonend und grundlastfähig. Sie ist unabhängig vom Wetter rund um die Uhr verfügbar. Geothermie trägt zur regionalen Wertschöpfung bei und macht unabhängig von fossilen Brennstoffen, bzw. hilft diese zu schonen. Eine herausragende Stellung insbesondere für die Stromerzeugung nehmen Hochenthalpie-Gebieten ein, deren Vorkommen allerdings auf bestimmte geologische Regionen beschränkt ist. Geothermie ist jedoch nahezu überall nutzbar und sie kann in verschiedenen Tiefen durch unterschiedliche Nutzungs-Systeme gewonnen werden. Mit Geothermie kann die Wärmebereitstellung einzelner Gebäude bis hin zu ganzen Stadtteilen erfolgen. Einzelne Systeme lassen sich miteinander kombinieren, wie beispielsweise Erdwärmesonden zu einem Sondenfeld, so dass damit auch im Objektbereich eine Beheizung aber auch Kühlung zu Bedarfszeiten erfolgen kann.
Da die tiefe Geothermie die gleichzeitige Produktion von Wärme und Strom erlaubt, trägt sie zu einer zukunftssicheren, effizienten Wärme- und Stromversorgung bei. Die entnommenen Tiefenwässer werden wieder in das Reservoir zurückgeführt, so dass das natürliche Gleichgewicht erhalten bleibt und ein nachhaltiger reservoirschonender Umgang gewährleistet ist. Geothermie-Anlagen zeichnen sich durch einen geringen Flächenverbrauch aus; die optische Beeinträchtigung in der Landschaft ist dadurch minimal. Wärme und Strom aus geothermischen Energiequellen können zukünftig einen wichtigen Beitrag zur Deckung der Grundlast insbesondere auf dem Wärmesektor liefern, so dass sich der Einsatz von fossil betriebenen Heizkraftwerken schwerpunktmäßig auf den Spitzenbedarf verlagert.
In den vergangenen Jahren wurde die Technologie zur Energieerzeugung im Niedertemperaturbereich weiterentwickelt und zahlreiche technische Fortschritte auch auf diesem Sektor erreicht. Die Tiefengeothermie kann zur energetischen Grundversorgung einen großen Beitrag liefern. Dazu sind EGS (Enhanced Geothermal Systems) notwendig, denn nur sie sind nahezu überall machbar. EGS muss daher weiterentwickelt werden. Demonstrationsprojekte sind erforderlich.
Insbesondere die Grundlastfähigkeit macht die Geothermie zum festen Bestandteil und Partner verschiedener langfristig angelegter Energieszenarien. Durch geschickte Kombination mit anderen Formen der erneuerbaren Energien können sich bedeutende Synergieeffekte ergeben. Erste Projekte im Wohnungsbereich, bei denen Erdsonden eines Sondenspeichers mit Solarthermie kombiniert sind, zeigen eine sehr hohe energetische Effizienz. Aber auch Projekte aus der tiefen Geothermie wie beispielsweise die Kombination von hydrothermaler Dublette mit Biogas zur thermischen Anhebung oder die Nutzung des tiefen Reservoirs als „aufladbare Batterie“ (Aquiferspeicher) zeigen neue Wege für die Städte-Planung auch im Objektbereich auf.
Mit diesem Buch wollen wir einen Einblick in dieses spannende Thema der Geothermie geben. Wir sind auf die Weiterentwicklung, auf neue Projekte und neue Synergieeffekte in den nächsten Jahren gespannt und wünschen uns allen eine sichere, umweltschonende Wärme- und Energieversorgung. Wir hoffen mit dem vorliegenden Buch dazu einen kleinen Beitrag leisten zu können.
Ingrid Stober
Kurt Bucher

Inhaltsverzeichnis

1 Thermisches Regime der Erde 1

1.​1 Erneuerbare Energien, Globaler Status 2

1.​2 Aufbau der Erde 2

1.​3 Energiedargebot der Erde 7

1.​4 Wärmetransport und thermische Parameter 9

1.​5 Kurzer Abriss von Methoden zur Bestimmung thermischer Parameter 13

1.​6 Temperaturmessun​gen 14

2 Geschichte geothermischer Energienutzung 19

2.​1 Frühe geothermische Nutzungen 20

2.​2 Geothermische Nutzungen in der späteren Neuzeit 25

3 Geothermische Energie-Ressourcen 29

3.​1 Energie 30

3.​2 Bedeutung der Erneuerbaren Energien 31

3.​3 Status der Nutzung der geothermischen Energie 33

3.​4 Geothermische Energiequellen 35

4 Geothermische Nutzungsmöglichk​eiten 39

4.​1 Oberflächennahe geothermische Energienutzung 41

4.​2 Tiefe geothermische Energienutzung 51

4.​3 Wirkungsgrad 63

4.​4 Bedeutende Geothermie-Felder, Hochenthalpie-Felder 67

4.​5 Exkurs, Herausforderunge​n 70

5 Potentiale und Perspektiven geothermischer Energienutzung 71

6 Erdwärmesonden 75

6.​1 Planungsgrundsät​ze 76

6.​2 Bau von Erdwärmesonden 76

6.​3 Auslegung von Erdwärmesonden 85

6.​3.​1 Wärmepumpen 86

6.​3.​2 Thermische Parameter und Programme für die Auslegung von Erdwärmesonden 90

6.​4 Bohrverfahren für Erdwärmesonden 98

6.​4.​1 Direktspülverfah​ren 102

6.​4.​2 Imlochhammerbohr​verfahren 104

6.​4.​3 Abschließende Hinweise, Bohrrisiken 105

6.​5 Hinterfüllung/​Verpressung von Erdwärmesonden 109

6.​6 Bau von Erdwärmesonden mit Überlänge (Mitteltiefe EWS) 115

6.​7 Potentielle Risiken, Fehler und Schäden bei Erdwärmesonden 117

6.​8 Spezielle Nutzungssysteme und Weiterentwicklun​gen 121

6.​8.​1 Erdwärmesonden-Felder 122

6.​8.​2 Erdsonden und Kühlung 125

6.​8.​3 Kombination Solarthermie/​Erdwärmesonden 125

6.​8.​4 Vermessung von Erdwärmesonden, Qualitätskontrol​le 129

6.​8.​5 Erdwärmesonden mit Phasenwechsel 136

7 Geothermische Brunnenanlagen 141

7.​1 Bau von Grundwasserbrunn​en 143

7.​2 Wasserqualität 146

7.​3 Thermischer Einflussbereich, Modellrechnungen​ 147

8 Hydrothermale Nutzung, Geothermische Dublette 151

8.​1 Geologischer und tektonischer Bau 152

8.​2 Thermische und hydraulische Eigenschaften des Nutzhorizontes 156

8.​3 Hydraulische und thermische Reichweite geothermischer Dubletten, numerische Modellierungen 163

8.​4 Hydrochemie heißer Wässer aus großer Tiefe 168

8.​5 Ertüchtigungsmaß​nahmen, Stimulation 172

8.​6 Fündigkeit, Risiko, Wirtschaftlichke​it 174

8.​7 Beispiele hydrothermaler Nutzungen 181

8.​7.​1 Hydrothermale Dubletten 182

8.​7.​2 Aquiferspeicher 191

8.​8 Projektierung hydrothermaler Anlagen 195

9 Enhanced-Geothermal-Systems (EGS), Hot-Dry-Rock Systeme (HDR), Deep-Heat-Mining (DHM) 199

9.​1 Verfahren, Vorgehen, Ziele 201

9.​2 Geschichte, erste HDR-Verfahren 202

9.​3 Vorgehen bei der Stimulation 204

9.​4 Erfahrungen und Umgang mit der Seismizität 210

9.​5 Empfehlungen, Hinweise 211

10 Geothermische Nutzungen in Hochenthalpie-Gebieten 217

10.​1 Charakteristika von Hochenthalpie-Gebieten 218

10.​2 Erschließung von Hochenthalpie-Gebieten, Inbetriebnahme 223

10.​3 Unerwünschte Begleiterscheinu​ngen, Gegenmaßnahmen 232

10.​4 Herausforderunge​n und Chancen der Erschließung überkritischen Wassers 238

11 Potentielle Umweltauswirkung​en bei der Tiefen Geothermie 243

11.​1 Seismizität und Tiefe Geothermie 245

11.​1.​1 Induzierte Erdbeben 247

11.​1.​2 Erdbebenskalen 250

11.​1.​3 Die Ereignisse von Basel 251

11.​1.​4 Die Ereignisse von St.​ Gallen 255

11.​1.​5 Seismische Beobachtungen bei EGS-Projekten 257

11.​1.​6 Folgerungen und Empfehlungen für hydrothermale und petrothermale Nutzungen (EGS) 261

11.​2 Auswirkungen durch und auf den Untergrund 268

11.​3 Übertägige Auswirkungen 272

12 Bohrtechnik für Tiefbohrungen 275

13 Geophysikalische​ Untersuchungen 297

13.​1 Geophysikalische​ Vorerkundung, Seismik 298

13.​2 Geophysikalische​ Bohrlochmessunge​n und Interpretation 305

14 Hydraulische Untersuchungen, Tests 311

14.​1 Grundlagen 312

14.​2 Testarten, Planung und Durchführung, Auswerteverfahre​n 320

14.​3 Tracerversuche 327

14.​4 Temperaturauswer​teverfahren 330

15 Hydrochemische Untersuchungen 333

15.​1 Probennahme und Analytik 334

15.​2 Wichtigste Untersuchungserg​ebnisse und Interpretationen​ 336

15.​3 Ausfällungen, Korrosion 345
Literatur 355
Stichwortverzeic​hnis 381

Über die Autoren

Ingrid Stober (Prof. Dr.),