Die Hitze der Erde nutzen

In der Theorie könnte die Tiefen- Geothermie einen wichtigen Beitrag zur künftigen Energie¬versorgung leisten. Ob sich das Potenzial auch in der Praxis nutzen lässt, muss sich aber erst noch weisen. Mit zwei neuen Professuren will die ETH Zürich dieser Technologie nun zum Durchbruch verhelfen.

Text: Felix Würsten, Foto: Geopower Basel AG

 

 

Als beinahe unerschöpflich gilt die Wärmequelle im Erdinnern. Kein Wunder zählt die Geothermie zu den vielversprechendsten Optionen für die künftige Energieversorgung. In verschiedenen Ländern wird die Hitze aus dem Untergrund auch bereits seit Längerem für die Strom- und Wärmeerzeugung genutzt, in den USA beispielsweise, aber auch in Indonesien, Neuseeland, Island und Italien.

Der grosse Durchbruch fehlt

In der Schweiz kann davon bislang keine Rede sein. Mit der oberflächennahen Erdwärme werden zwar heute zahlreiche Gebäude mit Heizwärme und Warmwasser versorgt. Doch ob sich mit der Energie aus dem Erdinnern auch grössere Mengen an Strom erzeugen lassen, ist eine ungeklärte Frage. Im Gegensatz zu den oben erwähnten Ländern, in denen aktive Vulkane die Wärme bis nahe an die Erdoberfläche führen, muss in der Schweiz die Wärmequelle nämlich in einer Tiefe von drei bis sechs Kilometern erschlossen werden. Erst dort unten sind die Gesteine genügend heiss, damit sich eine Stromproduktion wirtschaftlich lohnt.

Die bisherigen Versuche zur Nutzung der Tiefen-Geothermie verliefen in der Schweiz jedoch nicht gerade ermutigend: Bei Basel musste ein Pilotprojekt abgebrochen werden, bei dem die Wärme aus nichtwasserführenden Gesteinen mit Hilfe des Hot-Dry-Rock-Verfahrens zur Stromproduktion genutzt werden sollte. Als das Gestein im Untergrund aufgelockert werden sollte, um die Durchlässigkeit zu erhöhen, führte dies an der Erdoberfläche zu spürbaren Erdstössen.

In Zürich wiederum förderte die Bohrung im Pilotprojekt beim Stadtspital Triemli nicht so viel heisses Wasser zutage wie ursprünglich erhofft. Einzig in St. Gallen scheinen die Aussichten etwas günstiger zu sein: Dort hoffen die Projektverantwortlichen, dass die bevorstehende Tiefbohrung genügend heisses Wasser für eine Strom- und Wärmeproduktion zutage fördern wird. Damit könnte in der Ostschweiz eine besonders günstige geologische Situation ausgenützt werden, die auch in Bayern einen wahren Geothermieboom ausgelöst hat.

Mittel- bis längerfristig geht es allerdings nicht um die Frage, ob die Tiefen-Geothermie für die Stromproduktion in Frage kommt, sondern ob sie in der Lage ist, einen relevanten Beitrag zur schweizerischen Stromversorgung zu leisten – oder wie es Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik der ETH Zürich, pointiert ausdrückt: «Kann die Tiefen-Geothermie ein Kernkraftwerk ersetzen?»

Seit der Atomkatastrophe in Fukushima und dem von Bundesrat und Parlament beschlossenen Atomausstieg hat diese Frage an Dringlichkeit gewonnen. Denn die Tiefen-Geothermie gehört zu denjenigen Energieformen, auf die der Bundesrat in seiner neuen Energiestrategie 2050 grosse Hoffnungen setzt. Und auch der «Aktionsplan koordinierte Energieforschung Schweiz», den die interdepartementale Arbeitsgruppe Energie im April 2012 veröffentlichte, setzt auf die Erdwärme. Die Arbeitsgruppe schlägt nicht nur ein nationales Förderprogramm zur Tiefen-Geothermie vor, sondern empfiehlt auch, die Forschung künftig in einem nationalen Kompetenzzentrum zu koordinieren.

Die Kapazitäten reichen nicht aus

Auch für Giardini ist klar, dass es nun einen national koordinierten Effort braucht und sich der Bund dementsprechend stärker engagiert sollte. «Die bisherigen Pilotprojekte waren in erster Linie lokale Initiativen», erklärt er. «Wollen wir die gesteckten Ziel bis in 20, 30 Jahren erreichen, genügen solche Einzelprojekte jedoch nicht mehr.» Dass die ETH Zürich die Führungsrolle übernimmt, liegt für Giardini auf der Hand: «Wir haben eine Reihe von Professuren, die in der einen oder anderen Form einen Beitrag leisten. Neben den Erdwissenschaftlern befassen sich auch Forscher aus den Bereichen Verfahrenstechnik und Energietechnik mit Geothermie. Und schliesslich gibt es an der ETH auch Professuren, die Fragen der Risikofinanzierung und der sozialen Akzeptanz dieser Energieform untersuchen.»

Die Kapazitäten dieser Professuren reichten jedoch nicht aus, ist Giardini überzeugt, steht doch bei keiner die Geothermie zuoberst auf der Forschungsagenda. «Die ETH Zürich hat bisher ihr Potenzial noch nicht wirklich ausgeschöpft», erklärt er. Aus diesem Grund hat die Hochschule nun eine neue strategische Initiative lanciert, mit der sie dank der Unterstützung von privater Seite sehr rasch zwei neue Professuren einrichten will: Die eine neue Professur am Departement Erdwissenschaften wird sich mit der Erschliessung der Wärmequelle in der Tiefe befassen, die andere wird am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fragen der Technologieentwicklung untersuchen.

An konkreten Forschungsthemen fehlt es dabei nicht, das wird im Gespräch mit Giardini schnell klar. «Das Hauptproblem ist, dass bis heute noch keine Tiefen-Geothermieanlage über längere Zeit hinweg Strom produziert hat» erklärt er. «Die Pilotanlage im elsässischen Soultz-sous-Forêts, die ebenfalls auf dem Hot-Dry-Rock-Verfahren basiert, funktioniert zwar zufriedenstellend. Doch sie erbringt nur eine elektrische Leistung von etwa 1 Megawatt. Soll die Tiefen-Geothermie wirklich einen relevanten Beitrag zur Stromversorgung leisten, brauchen wir Anlagen mit einer elektrischen Leistung von mindestens 20 bis 50 Megawatt.»

Wie man im Untergrund ein genügend grosses Reservoir für derartige Anlagen schaffen und über mehrere Jahrzehnte hinweg bewirtschaften kann, ist heute noch weitgehend unklar. «Dazu müssen wir besser verstehen, was in der Tiefe beim Auflockern der Gesteine wirklich geschieht», erläutert Giardini. «Wir müssen soweit kommen, dass wir die Erfolgsaussichten eines Projekts vor Baubeginn einigermassen zuverlässig abschätzen können. Denn nur so können die Investoren eine verlässliche Risikoabschätzung machen.»

Wie verlässlich sind die Prognosen?

Neben geologischen Fragen gilt es auch technische Aspekte zu klären. Die Erdöl- und Erdgasindustrie kennt zwar bereits Technologien, mit denen Gesteine in grosser Tiefe angebohrt und aufgebrochen werden können. Doch im Gegensatz zu Erdöl- und Erdgasbohrungen werden Geothermiebohrungen nicht fernab der Zivilisation durchgeführt, sondern in Siedlungsnähe, damit die Restwärme verwertet werden kann. Deshalb müssen die Technologien nun so weiterentwickelt werden, dass sie keine spürbaren Erschütterungen mehr an der Erdoberfläche auslösen. Nicht zuletzt geht es auch darum, die Kosten zu reduzieren, die bei der Exploration von möglichen Standorten, bei der Erschliessung des Wärmereservoirs durch Bohrungen und beim Betrieb anfallen.

«Alle gängigen Energieprognosen sagen in den nächsten Jahren einen rasanten Aufschwung der Tiefen-Geothermie voraus», erläutert Giardini. «Nun müssen wir zeigen, ob diese Prognosen wirklich realistisch sind und wenn ja, welche technologischen Voraussetzungen dazu erfüllt sein müssen.»