Wie bekomme ich ein Geothermie-Kraftwerk? Ein Beispiel aus Unterhaching.
Gastartikel von Dr. Erwin Knapek, 1. Vorsitzender des Wirtschaftsforums Geothermie

Die Motivation ist der Klimaschutz

Bereits 1896 sagte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius aufgrund von Abschätzungen über die Zusammensetzung der Gase in unserer Erdatmosphäre voraus, dass die durchschnittliche Temperatur auf der Erdoberfläche bis zu 6° C zunehmen werde, wenn sich die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) verdoppeln würde. 1896 betrug der Anteil von CO2 in der Atmosphäre ca. 290 ppm (Anteile pro einer Million Gasmoleküle), heute sind es 386 ppm. Die Lebensumstände wären schon bei einer globalen Temperaturerhöhung um 4° C unerträglich. Allein die bisherige Zunahme der mittleren globalen Temperatur von etwa 1° C offenbart durch die enge zeitliche Häufung von sogenannten Jahrhundertereignissen von Naturkatastrophen, was  der Erde bei einer weiteren Zunahme von 1° C bevorsteht.

Eine weitere Steigerung der Temperatur kann nur durch eine starke Reduzierung von Treibhausgasen verhindert werden. So ist zum Beispiel eine eigentlich nicht akzeptable Steigerung der mittleren Temperatur auf der Erdoberfläche auf 2° C gegen Ende dieses Jahrhunderts nur zu schaffen, wenn der heutige Trend steigender CO2 Emissionen bis 2015 umgekehrt wird und bis 2050 die globalen Emissionen um 50 % bis 80 % reduziert werden. Der vom Menschen gemachte Klimawandel ist kein Schicksal und findet bereits statt. Er kann allenfalls nur noch gebremst werden. Die Bewältigung dieser Herausforderung muss mit allen verfügbaren technischen Mitteln und mit Verhaltensänderungen geschafft werden, um noch lebenswerte Bedingungen für zukünftige Generationen zu erhalten. Möglichkeiten dazu sind die Reduzierung des Energieverbrauchs, Effizienzsteigerungen und die Substitution fossiler Energieträger durch alternative Energien, deren Umwandlung in Nutzenergie entweder CO2 – frei oder CO2 – neutral ist.

Die Gemeinde Unterhaching hat in den neunziger Jahren den Klimaschutz als Aufgabe der Daseinsvorsorge erkannt. Nach Einführung einer kommunalen Energiesparförderung und Förderung alternativer Energien im Bereich der Privathaushalte im Jahr 1992 wurde 1997 zur Planung der zukünftigen Energieversorgung ein Wärmeatlas auf der Grundlage Gebäude-genauer Energieanforderungen erstellt  Dieser Atlas ist Grundlage des Plans, bis 2015 ca. 50% des Energiebedarfs für Strom und Wärme durch effizientere Systeme – z. B. dezentrale Blockheizkraftwerke – und Isolierung der Altbauten einsparen zu können sowie durch zusätzliche  Nutzung solarer Energie und Biomasse die CO2 Emissionen des stationären Energieverbrauchs um 80 % des Wertes von 1997 zu reduzieren.

Durch die weltweit absehbaren Engpässe bei der Versorgung mit fossilen Energieträgern änderte Unterhaching in den Jahren 2000/ 2001 seine Strategie und nahm Abstand von dem System eines Netzwerks von Kraft – Wärme – Kopplungsanlagen.

Hydrothermale Voraussetzungen

Aus geologischen Untersuchungen war längst bekannt, dass Unterhaching auf hydrothermale Lagerstätten in der südbayrischen Molasse zugreifen kann. Die Thermalwasser führende Schicht im tiefen Untergrund, der Malmkarst, entstand aus einem Meer, das sich zur Zeit der Alpenfaltung bildete. In Millionen Jahren abwechselnder Eis – und Warmzeiten wurde dieser Karst mit Geschiebe überdeckt und durch die Erdwärmestrahlung erhitzt. Im Bereich von Unterhaching beträgt die mittlere Tiefe des Malms 3350 m. Aus extrapolierten Temperaturdaten von Erdölerkundungsbohrungen, die das Institut für geophysikalische Gemeinschaftsaufgaben (GGA) in Hannover lieferte, und der Tatsache, dass sich die Temperatur im Durchschnitt um 3 Kelvin pro 100 m Tiefe erhöht, konnte man von einer Wassertemperatur von mindestens 115° C ausgehen. Aufgrund der Daten aus seismischen Untersuchungen ließ sich auch allgemein feststellen, dass bei Erbohrung ausgedehnter Klüfte im Malm die Schüttungen von 150 Liter Wasser pro Sekunde erzielt werden können; beste Voraussetzungen für die Umwandlung der geothermischen Energie in elektrischen Strom und Nutzwärme.

Das Geothermieprojekt Unterhaching Die erste großvolumige Tiefenbohrung

Eine überzeugende Machbarkeitsstudie für die technische und auch die wirtschaftliche Umsetzung war die wesentliche Grundlage für den Gemeinderat, um die Planung eines Geothermiekraftwerks für Unterhaching zu beschließen. Wichtigste Forderung des Ratsbeschlusses für die erste Tiefenbohrung war der Abschluss einer Fündigkeitsversicherung, die es damals auf dem Versicherungsmarkt nicht gab.

Zur Realisierung der Planung ist die erste Maßnahme die Beantragung eines bergrechtlichen Erlaubnisfeldes beim dafür zuständigen Bayerischen Wirtschaftsministerium. Dem Antrag wurde im März 2002 stattgegeben. Der Bescheid erhielt jedoch den Hinweis, dass die in der Machbarkeitsstudie angegebenen Zielwerte unrealistisch hoch sind und man eher Temperaturen und Schüttungen erreichen werde, die für eine – offensichtlich nicht gewollte – Stromerzeugung bei weitem nicht ausreichen. Unsere Studie stütze sich aber auf sehr zuverlässige Berechnungen des GGA in Hannover, was dazu führte, dass wir trotz Warnung nicht von den gefassten Plänen Abstand nahmen. Die Verhandlungen um eine Fündigkeitsversicherung machte dieser Einwand der bayrischen Behörde aber nicht einfach. Trotzdem gelang es mit der Münchner Rückversicherung, dem Bayrischen Wirtschaftsministerium und mit Hilfe von Risikoabschätzungen des GGA nach achtmonatigen Verhandlungen diese Versicherung abschließen zu können.

Damit war die erste Hürde vor dem Beginn der Tiefenbohrung übersprungen. Der Bohrpunkt zur Erschließung einer ergiebigen Quelle war aufgrund der Auswertung der vorhandenen Industrieseismik bekannt. Mit einer europaweiten Ausschreibung für die Bohrleistungen wurde streng nach der Vergabeordnung VOB ein Bohrunternehmen mit entsprechend leistungsfähigem Bohrturm für mindestens 350t Zuglast gesucht. Die Ausschreibung nach VOB war erforderlich, da für das Projekt Unterhaching eine finanzielle Förderung durch das Bundesumweltministerium wegen des erstmaligen Einsatzes eines Kalinaverfahrens für die Stromerzeugung in Deutschland zugesichert wurde. Das von Alexander Kalina erfundene Verfahren arbeitet mit einem binären Gemisch aus Ammoniak und Wasser als Dampfmedium und lässt aufgrund des Siedeverhaltens dieses binären Mediums eine Effizienzsteigerung um 25% gegenüber dem konkurrierenden ORC (Organic Rankine Cycle mit organischem Fluid als Medium für die Dampferzeugung) – Verfahren erwarten.

Der Auftrag für die Bohrung erfolgte im Sommer 2003. Die Kapazität für leistungsstarke Bohrgeräte war aber zu dieser Zeit wegen der hohen weltweiten Nachfrage für Erdölerkundungsbohrungen sehr gering. Der Auftragnehmer Wärmestrom Bavaria stellte ein Bohrgerät zur Verfügung, mit dem sonst horizontal gebohrt wird. Der Nachweis für vertikales Bohren mit diesem knapp 20 m hohen Bohrturm wurde zuvor in Speyer mit einer Bohrung bis 2800 m erbracht. Nach Behebung der durch die bayrischen Behörden am Bohrgerät festgestellten technischen Mängel, der mit sehr hohen Auflagen verbundenen Errichtung des Bohrplatzes und der geforderten Änderung des eingereichten Bohrplans – es wurde ein wesentlich größerer Bohrdurchmesser für die erste Bohrtour gefordert, weil der Einsatz eines sogenannten Bicentermeißel, mit dem im Vergleich zu den üblicherweise eingesetzten Rollenmeißeln Schichten hinterschnitten werden können, in Bayern nicht erlaubt wurde – konnte erst Ende Januar 2004 gebohrt werden. Infolge technischer Pannen und daraus resultierender behördlicher Auflagen, die letztlich sogar bewirkten, dass der Bicentermeißel doch noch eingesetzt werden musste, erhöhte sich die Bohrzeit von geplanten 80 Tagen auf 240 Tage.

Mit großer Entspannung wurde das Bohrergebnis Ende September 2004 gefeiert. Die Temperatur lag mit knapp 123° C über den Erwartungen der Machbarkeitsstudie und der Pumpversuch zeigte, dass eine Schüttung von 150 l/s erreicht werden kann. Die Versicherung musste nicht in Anspruch genommen werden. Es war auch gut, dass wir den negativen Hinweisen der bayrischen Behörden nicht gefolgt sind, denn wir wären dadurch zu einer falschen Planung verleitet worden, die nach Niederbringung der ersten Bohrung uns nicht mehr in die Lage versetzt hätte, elektrischen Strom erzeugen zu können. Für ein Wärmeprojekt wären nämlich kleinere Bohrdurchmesser ausreichend gewesen.

Das Bohrergebnis von Unterhaching zeigte, dass die Temperaturangaben des bayrischen Geothermieatlasses in den Gebieten, die für die Stromerzeugung geeignet wären, um ca. 30° C zu tief lagen. Aufgrund dieses Nachweises begann ein Wettrennen um die Sicherung von Erlaubnisfeldern in den südbayrischen Gebieten, in denen nach den Berechnungen des GGA die Voraussetzungen für die Stromerzeugung gegeben waren.

Zweite Tiefenbohrung und Umsetzung der Planung für das Kraftwerk

Nachdem der Gemeinderat mit seinem Grundsatzbeschluss die Beauftragung der zweiten Bohrung von der Fündigkeit der ersten Bohrung abhängig machte, geriet das Projekt 2004 in zeitliche Bedrängnis. Diese zweite Bohrung ist unabdingbar, da das Thermalwasser nur als Energieträger genutzt werden darf und somit nach Entzug der Wärmeenergie stofflich wieder in den Malmkarst zurückgeführt werden muss. Der Bohrmarkt war durch die Weltereignisse in einen kaum für möglich gehaltenen Engpass geraten. Hinzu kam, dass Bohrgeräte ausländischer Bohrfirmen (inbegriffen auch die EU) in Bayern einer besonders strengen statischen Überprüfung, die bis zu neun Monate dauern kann, unterzogen werden, obwohl diese Bohrtürme meistens ein zertifiziertes Standardprodukt eines US-amerikanischen Herstellers sind und somit eine weltweit und in 15 deutschen Bundesländern anerkannte Norm haben. Schließlich kam nach Absage eines polnischen Bohrunternehmens (dieses bekam während der Zertifizierungszeit einen neuen Auftrag in einem EU Land) erst im Juni 2006 –  nach 7 Monaten Zertifizierung -  eine englische Bohrfirma nach Unterhaching.

Das Bohrergebnis für die zur Injektion vorgesehene Bohrung  im Januar 2007 lag mit einer mittleren Temperatur von 133° C und einer mehr als 150 l/s betragenden Schüttung auch überraschend für die Geothermiegesellschaft weit über allen Erwartungen. Es war aber bald klar, dass die Funktionen beider Bohrungen aufgrund der durch den behördlich geschaffenen enormen Zeitverzug nun parallel zur zweiten Bohrung laufenden Planungen für das Kraftwerk leider nicht umdrehen werden können. Ein Abwarten des zweiten Bohrergebnis vor der weiteren Umsetzung der Gesamtplanung hätte uns ungeahnte Finanzierungsprobleme bereitet.

Somit mussten seit Anfang 2006 die Planungen des Kraftwerks, der für den geschlossenen Thermalwasserkreislauf benötigten Thermalwasserleitung, der Fernwärmeversorgung und des Spitzenlast- und Redundanzheizwerks parallel zur Durchführung der zweiten Bohrung auf Hochtouren laufen, um aus wirtschaftlichen Gründen zeitnah nach Beendigung der Injektionsbohrung mit der Bereitstellung der Wärme und der elektrischen Energie beginnen zu können. Durch die zwischenzeitlich aufgrund hoher Erdölpreise gestiegene Nachfrage nach alternativer Wärme ging die Geothermiegesellschaft dazu über, das geothermische Heizkraftwerk mit zwei parallel geschalteten Wärmetauscherkreisläufen zu bauen und nahm damit Abstand von der 2002 geplanten seriellen Nutzung des Thermalwassers, bei dem die Wärmversorgung nachrangig nach der Stromerzeugung nur für ein kleines Fernwärmenetz vorgesehen war. Die Geothermie Unterhaching hat mit der neuen, aber auch mit wesentlich höheren Kosten verbundenen Planung die Möglichkeit, in der Heizperiode durch die Steuerung der Thermalwassermenge der Wärmelieferung den Vorrang vor der Stromerzeugung bis hin zur deren Abschaltung einzuräumen. Dies ist wirtschaftlicher, da im Bereich der Niederenthalpie, d.h. bei Temperaturen um 100° C mit der Kalina Technik die Umwandlung in elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von etwa 10  bis 12 %  erfolgen kann. Anstelle von einer MWh Strom mit einer EEG Vergütung von 230 € können 8 bis 9 MWh Wärme vermarktet werden. Letzteres garantiert insgesamt eine höhere Einnahme während der Heizperiode.

Betrieb

Im Oktober 2007 nahm die Geothermiegesellschaft die geothermisch erzeugte Wärmelieferung auf, nachdem 2006/2007 etwa 21 km Fernwärmeleitung verlegt wurden und ein Leitungstest mit dem konventionell befeuerten Spitzenlastheizwerk durchgeführt worden war. In der Heizperiode 2007/2008 betrug die Anschlussleistung 21 MW. Heute sind bereits 28 km Fernwärmeleitung verlegt und knapp 31 MW Leistung angeschlossen. Für 2009 ist eine Ausweitung bis zu 37 MW geplant. Die Förderbohrung hat eine geothermische Leistung von etwa 38 MW. Damit kann wegen der Ungleichzeitigkeit von Wärmeanforderungen und mit Unterstützung des Spitzenlastheizwerks eine Leistung von 70 bis 75 MW, das ist ca. 66% des Bedarfs in Unterhaching, bereitgestellt werden.

Die Stromerzeugung ist bei dem vorgesehenen Parallelbetrieb bis zu einer elektrischen Leistung von ca. 3,4 MW – maximal könnten ohne Wärmeversorgung 4,1 MW erzielt werden – möglich. Der in Deutschland erstmals erstellte Kalina Dampfkreislauf hat im Prinzip Ende 2007 funktioniert. Er wurde aber zur Steigerung der Effizienz mit weiterentwickelten Wärmeübertragungseinheiten aus Plattenwärmetauschern versehen, die im Betrieb Undichtigkeiten aufwiesen, was wegen des ausströmenden Ammoniakgases stets zu Abschaltungen führte. Dieses Problem konnte durch eine nun funktionierende Neukonstruktion der Plattenwärmetauscher gelöst werden. Der Betrieb lief ab November 2008 erstmals so, dass alle Komponenten des Kraftwerks über einen längeren Zeitraum getestet werden konnten. Im Februar 2009 ist ein Dauertest vorgesehen, nach dem die Anlage offiziell ans Netz gehen kann. Der seit November 2008 laufende Parallelbetrieb von Wärmeversorgung und sporadisch zu Testzwecken zugeschalteter Stromerzeugung erforderte je nach Wärmeenergiebedarf eine spezielle Steuerung der Thermalwasserströme für die jeweiligen Wärmetauscher. Dies konnte Schritt für Schritt optimiert werden und läuft nun automatisch gesteuert ohne Probleme.

Für die im Jahr 2008 zu versorgenden Wärmeanschlüsse mit einer thermischen Leistung von knapp 31 MW (das entspricht etwa 25 % des Wärmebedarfs für die Unterhachinger Haushalte, öffentlichen Gebäude und Gewerbebetriebe) wurden etwas über 47 000 MWh geothermisch erzeugte Wärmeenergie geliefert. Dies entspricht einer Einsparung von etwa 10 000t CO2. Interessant ist auch, dass bei anhaltender Kälte im Dezember 2008 die maximale thermische Spitzenlastanforderung bei unter 15 MW lag. Dies ist ein Beweis, dass man etwa das Doppelte der verfügbaren geothermischen Leistung an nutzbarer thermischer Leistung für die Wärmelieferung anschließen kann. Es hat sich auch gezeigt, dass bei der derzeitigen Wärmeanforderung das Kraftwerk noch elektrische Leistungen um 1 MW und mehr erreichen kann.

Fazit

Bei Vollbetrieb des Kraftwerks mit durchgehender Stromerzeugung außerhalb der Heizperiode ist eine Reduktion der CO2 Emissionen von 40 000 t pro Jahr zu erwarten. Unterhaching hat damit die ersten Hausaufgaben des Wärmeatlas von 1997 erfüllt und eine Reduktion von 66% gegenüber dem damals ermittelten Wert für den stationären Energieverbrauch erreicht. Bis 2015 werden sich weitere Reduktionen aus Energiesparmaßnahmen und Nutzungen anderer alternativer Quellen ergeben, so dass die im Wärmeatlas prognostizierte Reduktion der CO2 – Emissionen um ca. 80 % keine Utopie ist.

Der Vorteil einer gesicherten heimischen und damit von Importen unabhängigen Energieversorgung für die Unterhachinger Bevölkerung und Betriebe ist heute schon erkennbar. Zum einen erfüllt Unterhaching bereits die gesetzlichen Vorgaben des ab 2009 geltenden EEWärmeG und bietet damit auch einen großen Standortvorteil für Betriebe. Zum anderen sind die Wärmepreise weitestgehend unabhängig von steigenden Rohölpreisen. Zudem wird der Klimawandel der Geothermie das Geschäftsfeld Kälteversorgung und Klimatisierung von Gebäuden mit Absorptionskältemaschinen eröffnen. Das Projekt Geothermie Unterhaching zeigt auch, dass eine sehr breite Anwendung der Geothermie möglich ist, wenn man letztlich die nach der Wärmeversorgung und Stromerzeugung noch vorhandene Restwärme des etwa 55° C heißen Thermalwassers vor dessen Injizierung in den Malmkarst für zum Beispiel Gewächshäuser (Gemüseanbau in der Region), Trocknungsanlagen oder Niedertemperaturheizungen nutzen würde.

Zurzeit sind etwa 100 Aufsuchungserlaubnisse in Südbayern vergeben. Die geothermischen Voraussetzungen bei ca. 85 Erlaubnisfeldern erlauben den Betrieb von Kraftwerken für die Stromerzeugung und soweit eine entsprechende Wärmeanforderung gegeben ist auch die Nutzung der Wärmeenergie. Insgesamt wäre vorsichtig geschätzt eine elektrische Leistung von 500 MW realisierbar, die den Grundlastbereich abdeckt. Bei flächendeckender Nutzung der Tiefengeothermie in Deutschland wäre aber ein mehrfaches Potenzial des für die Versorgung mit elektrischer Energie notwendigen Potenzials nutzbar. Voraussetzung dafür ist ein dezentrales Energieversorgungssystem, das – wie das Beispiel Unterhaching nachweist – auch mit neu errichteten kommunalen Energieversorgungsbetrieben realisierbar ist. Als Bürgerinnen und Bürger, Unternehmerinnen und Unternehmer und als Kommunen haben wir eine nicht delegierbare Verantwortung für den Klimaschutz und damit für unsere zukünftigen Generationen. Die Geothermie zeigt sich dafür als langfristig wirtschaftliche und ökologische Alternative zu fossiler oder atomarer Energieerzeugung im Grundlastbereich.

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