Geothermie/Erdwärme: Nachhaltige Energie aus dem Untergrund nutzen

Geothermie gilt oft als Synonym für Erdwärme. Erdwärme bezeichnet die im Erdreich gespeicherte Wärmeenergie. Geothermie bezeichnet die Nutzung der Wärmeenergie für energetische Zwecke an der Oberfläche. Mögliche Einsatzbereiche sind das Heizen von Räumen, das Erwärmen von Warmwasser für industrielle Prozesse, das Kühlen, die Stromproduktion und sogar das Speichern von Wärme und Kälte.

Bei der Geothermie wird zwischen der indirekten und der direkten Wärmenutzung unterschieden. Bereits ab einer Tiefe von 15 Metern ist die Bodentemperatur das ganze Jahr über konstant bei etwa 10°C. Mit einer Wärmepumpe-Anlage kann die Energie aus dem Erdreich oder aus dem oberflächennahen Grundwasser indirekt genutzt werden. Indirekt, weil die Wärme über das Heizsystem im Gebäude verteilt wird oder auch zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.

In der Schweiz nimmt die Temperatur pro 100 Meter Tiefe um etwa 3°C zu. Somit stehen ab 1 km Tiefe Temperaturen über 40°C zur Verfügung, die ein grosse Energiepotenziale darstellen. Ab ca. 400 m wird zudem oft tiefliegendes Grundwasser mit Temperaturen über 20°C angetroffen. Mit entsprechenden Bohrsystemen kann das warme Wasser an die Oberfläche transportiert werden, um grosse Menge an erneuerbare Wärme direkt zu nutzen.

Techniken zur Nutzung von Erdwärme als Energie

Je nach Gegebenheiten werden unterschiedliche Techniken verwendet, um die Wärme zu nutzen. Dabei wird zwischen oberflächennahmen Geothermie und tiefer Geothermie unterschieden.

Oberflächennahe Geothermie (indirekte Nutzung)

Erdwärmesonden

Es werden vertikale Bohrungen typischerweise von einem Meter bis zu mehreren hundert Meter durchgeführt. Bei jeder Bohrung wird ein U-förmiges Rohrsystem verlegt, in welchem eine Wärmeflüssigkeit zirkuliert. Diese entzieht die Erdwärme und leitet sie an einer Wärmepumpe weiter. In der Wärmepumpe führt die Wärme zum Verdampfen eines Kältemittels, das anschliessend wieder komprimiert und über einen Wärmetauscher als Heizwärme an das Gebäude abgegeben wird.

Idealerweise wird aufgrund der jährlich konstanten Temperatur dem Untergrund im Winter Wärme entzogen und im Sommer zur Kühlung wieder abgegeben. Wärmepumpen-Anlagen mit Erdwärmesonden eignen sich für Einfamilienhäuser sowie grosse Büro- und Wohnkomplexe.

Flächenkollektoren (Erdregister)

Flächenkollektoren sind horizontal verlegte Rohre, die in einer Tiefe von nur ein bis zwei Metern installiert werden. Sie sind zwar kostengünstig, benötigen jedoch eine ausreichend grosse, unbebaute Fläche. Sie eignen sich für Neubauten mit Garten.

Erdwärmekörbe

Erdwärmekörbe sind spiralförmige Kollektoren, die in geringer Tiefe von etwa fünf Metern installiert werden. Da sie weniger Fläche benötigen als Flächenkollektoren, sind sie besonders für kleine Grundstücke geeignet.

Grundwasserwärmenutzungen

Dort wo das Grundwasser nicht als Trinkwasser genutzt oder geschützt wird, kann es zum Heizen, Kühlen und zum Speichern von Wärme verwendet werden. In der Schweiz sind über 7’000 Grundwasser -Wärmepumpen-Anlagen in Betrieb, die mehrheitlich grosse Mehrfamilienhäuser, ganze Überbauungen oder Industriegebäude versorgen.

Tiefe Geothermie (direkte Nutzung)

Die Tiefengeothermie nutzt natürliches Tiefengrundwasser, das bereits erwärmt ist, und ermöglicht deshalb die direkte Nutzung von Erdwärme ohne Wärmepumpe. Bei Temperaturen von über 100 °C kann auch Strom produziert werden. Wenn keine Ressource fündig gemacht werden kann, kann aus den trockenen Gesteinsschichten mit EGS-Systemen (Enhanced Geothermal Systems) Wärme und Elektrizität gewonnen werden.

Fachlich vertiefte Informationen zu den verschiedenen Techniken finden Sie bei Geothermie-Schweiz.

Grosses Potenzial für Geothermie

Das geothermische Potenzial in der Schweiz ist sehr gross. 2023 produzierten geothermische Anlagen rund 4.5 Terawattstunden (TWh) Wärme. Dies deckt 5 % des gesamten Heizbedarfs der Schweiz. Das Potenzial für Erdwärme zum Heizen liegt bei 8 Terawattstunden (TWh) pro Jahr.

Aus Geothermie kann auch Elektrizität gewonnen werden. Das Potenzial dafür liegt bei 4 Terawattstunden (TWh) pro Jahr. In der Schweiz produziert aktuell noch keine Geothermie-Anlage Strom, wobei derzeit innovativen Ansätze getestet werden. Weltweit liefern jedoch bereits mehrere hundert Geothermie-Anlagen in 32 Ländern erneuerbare Elektrizität, insbesondere in den USA, Indonesien, aber auch in vielen europäischen Länder wie Deutschland, Frankreich und Italien.

In der Schweiz hat insbesondere das Molassebecken unter dem Mittelland aber auch grosse Teile des Alpinen Raums ein grosses Potenzial für die Erschliessung von Fernwärmenetzen mit Geothermie-Anlagen. Allerdings ist der Untergrund noch ungenügend genau erforscht und das Risiko, die wasserführende Schicht zu verfehlen oder seismische Aktivität auszulösen ist relativ hoch. Der Bund unterstützt die direkte Nutzung der Erdwärme zur Stromproduktion oder für die Wärmebereitstellung durch verschiedene Instrumente. Weitere Informationen finden Sie unter Förderung Geothermie.

Vorteile von Geothermie als Energiequelle

• Nachhaltigkeit: Geothermie ist eine erneuerbare und CO₂-neutrale Wärmeenergie.

• Verfügbarkeit: Im Gegensatz zu Solar- oder Windenergie ist Erdwärme wetterunabhängig und jederzeit verfügbar.

• Vielseitigkeit: Sie kann zum Heizen, Kühlen und zur Stromerzeugung genutzt werden.

• Wirtschaftlichkeit: Trotz hoher Investitionskosten sind die Betriebskosten niedrig.

Geothermie und Erdbeben

Bei untiefer Geothermie z. B. bei einer Bohrung für eine Erdsonde besteht kein Erdbebenrisiko. Das belegen sowohl wissenschaftliche Studien als auch die langjährige Erfahrung in der Schweiz und international. Die Bohrungen für Erdsonden reichen meist nur 50 bis ein paar hundert Meter tief und greifen nicht in seismisch kritische Schichten ein. Bei der tiefen Geothermie hingegen lassen sich Erdbeben nicht ausschliessen. Das zeigten die Tiefenbohrungen 2006 in Basel und 2013 in St. Gallen. Erschütterungen wie damals mit einer Stärke von 3.4 respektive 3.5 auf der Richterskala beunruhigen.

In der Schweiz bebt die Erde jeden Tag. Die meisten Erschütterungen sind nicht oder kaum spürbar. Alle registrierten Beben sind online beim Schweizerischer Erdbebendienst (SED) einsehbar. Jährlich werden 1'000-1'500 Erdbeben gemessen, wovon 10-20 von der Bevölkerung verspürt werden. Spürbar sind Beben ab einer Magnitude von ungefähr 2.5. Erdbeben mit einer Stärke zwischen 3 und 3,9 auf der Richterskala gelten als «leichte» Beben, da sie in der Regel keine Schäden verursachen

Doch wie können Erdbeben wie in Basel und St. Gallen vermindert werden? Wichtig ist den Untergrund möglichst genaue zu kennen. Dieses Wissen liegt in der Regel nicht vor und muss für ein Gebiet erst erworben werden, wobei der Kenntnisstand im Laufe eines Projekts kontinuierlich steigt. Beispielsweise liefern seismische 3D-Modellierungen eines Gebiets wichtige Hinweise auf einen möglichen Standort. Der SED bietet den Kantonen eine seismologische Beratung und Überwachung von Projekten zur Tiefengeothermie an.