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Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Monitoring

Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland

Themenbereich: Energie, Ressourcen, Umwelt
Analyseansatz: Monitoring
Themeninitiative: Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung
Status: abgeschlossen
Laufzeit: 2001 bis 2003

Der geothermischen Stromerzeugung wird vor allem deshalb eine besondere Bedeutung beigemessen, weil diese heimische Energiequelle in der Lage wäre, kontinuierlich Strom zu liefern („Regenerative Grundlast“). Zudem existieren in Deutschland beträchtliche technische Potenziale, die die Stromerzeugung in energiewirtschaftlich relevanter Größenordnung zukünftig möglich erscheinen lassen. Damit könnte die geothermische Stromerzeugung einen Beitrag zur Umweltentlastung und zum Ressourcenschutz leisten.
Diesen Vorteilen der Geothermie stehen allerdings auch Probleme gegenüber, die sich insbesondere auf die Wirtschaftlichkeit beziehen. Vor allem wenn geothermischer Strom zusammen mit nutzbarer Wärme in Kraft-Wärme-Kopplung hergestellt wird, eröffnet sich die Fragestellung, welcher Anteil der Potenziale in das gegenwärtige Energiesystem integrierbar ist.
Die Technologien zur geothermischen Stromerzeugung sind gegenwärtig in der Entwicklung begriffen. Es gibt in Deutschland eine Reihe von Pilotprojekten, die zum Ziel haben, möglichst bald den ersten geothermisch erzeugten Strom ins Netz einzuspeisen.

Gegenstand und Ziel der Untersuchung

Angesichts der potenziellen umwelt- und energiepolitischen Bedeutung der geothermischen Stromerzeugung und der noch bestehenden Unsicherheiten vor allem über deren technische Potenziale, ökonomische Chancen und ökologische Folgen wurde aus dem Kreis der parlamentarischen Berichterstatter für TA der Vorschlag gemacht, in einer Studie im Rahmen des laufenden Monitoring „Nachhaltige Energieversorgung“ die Möglichkeiten und Probleme einer geothermischen Stromerzeugung in Deutschland näher zu analysieren.

Ergebnisse

Die hier wiedergegebenen Abschätzungen zu den technischen Potenzialen geothermischer Stromerzeugung in Deutschland machen deutlich, dass geothermische Energie grundsätzlich eine ernst zu nehmende Option für die zukünftige Energieversorgung darstellt, wenn auch nur Bruchteile der geschätzten Potenziale tatsächlich genutzt werden können. Abschätzungen in dieser Detaillierung werden erstmalig für ganz Deutschland vorgelegt. Die Zahlenangaben bedürfen aber weiterer Konkretisierungen im regionalen und lokalen Maßstab.

Die Schätzwerte für das technische Potenzial sind als Obergrenze zu werten, da in Abhängigkeit vom Reservoirtyp die Erschließungsmethoden noch nicht voll entwickelt oder die für die Erschließung notwendigen Eigenschaften der Ressourcen nicht flächendeckend bekannt oder vorhanden sind. Das technische Gesamtpotenzial zur geothermischen Stromerzeugung liegt bei ca. 1.200 Exa Joule (etwa 300.000 TWh), was etwa dem 600fachen des deutschen Jahresstrombedarfes von ca. 2 Exa Joule entspricht. 95 % des Potenzials entfallen auf kristalline Gesteine, 4 % auf Störungszonen und etwa 1 % auf Heißwasser-Aquifere. Das zusätzliche Potenzial an thermischer Energie (Wärme bei KWK-Nutzung) beträgt etwa das 1,5fache des Strompotenzials, wenn keine Wärmepumpen eingesetzt werden, bzw. das 2,5fache, wenn Wärmepumpen verwendet werden.

Insbesondere ist die Erfolgswahrscheinlichkeit zur Erreichung von – wirtschaftlich vertretbaren – Mindestgrößen bei der Thermalwasser-Produktion (Mindestfließraten) und den Reservoirtemperaturen bei den drei Reservoirtypen unterschiedlich. Die Abhängigkeit von den natürlichen Bedingungen ist bei der Erschließung der kristallinen Gesteine nach dem Hot-Dry-Rock-Konzept am geringsten und bei der Erschließung der Heißwasser-Aquifere am größten. Der unterschiedliche Grad der Abhängigkeit von den geologischen Bedingungen führt jeweils zu spezifischen Problemfeldern für die drei Reservoirtypen. Hinzu kommen Unsicherheiten durch die getroffenen Annahmen bei den Gewinnungsfaktoren.

Unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten (geringer natürlicher Wärmestrom etc.) sollte das technische Potenzial nur innerhalb eines sehr langen Zeitraums sukzessive erschlossen werden. In diesem Bericht werden hierfür 1.000 Jahre angenommen. Bei einem technischen Gesamtpotenzial von 300.000 TWh ergibt sich daraus ein jährliches technisches Angebotspotenzial zur geothermischen Stromerzeugung von ca. 300 TWh/a, was etwa der Hälfte der gegenwärtigen Bruttostromerzeugung entspricht.

Das technische Nachfragepotenzial einer geothermischen Stromerzeugung ohne KWK, bei dessen Abschätzung nachfrageseitige Restriktionen berücksichtigt werden, liegt bei ca. 290 TWh/a, wenn man annimmt, dass der gesamte Grundlastanteil der deutschen Stromerzeugung durch Geothermie bereitgestellt würde.

Wird demgegenüber eine Nutzung in Kraft-Wärme-Kopplung unterstellt – was aus ökonomischer und ökologischer Sicht wünschenswert wäre –, definieren sich die technischen Strom-Nachfragepotenziale aus der im Energiesystem nutzbaren Wärmemenge. Nimmt man zunächst an, dass die gesamte in Deutschland nachgefragte Niedertemperaturwärme durch geothermische Anlagen bereitgestellt werden könnte, und geht man vom entsprechenden Nachfragevolumen des Jahres 2000 aus, so erhält man als theoretische Obergrenze für in KWK erzeugten Strom aus Geothermie einen Wert von rund 140 TWh/a; dies entspricht rund 25 % der Bruttostromerzeugung in Deutschland.

Um eine realistischere Abschätzung zu erhalten, wurde der Anteil der Niedertemperaturwärme-Nachfrage ermittelt, der durch Wärmenetze bereitstellbar wäre. Würde diese Wärmemenge allein durch geothermische KWK-Anlagen geliefert, so ergäbe sich eine damit gekoppelte geothermische Stromproduktion von ca. 66 TWh/a. Voraussetzung für diese Option wäre ein erheblicher Ausbau der Wärmeverteilnetze.

Ein solcher Ausbau dürfte auch in Zukunft nicht sehr wahrscheinlich sein. Daher wurde in einem weiteren Schritt davon ausgegangen, dass „nur“ die in die bestehenden Fernwärmenetze eingespeiste Niedertemperaturwärme durch geothermische KWK-Anlagen bereitgestellt würde. Daraus ergäbe sich eine gekoppelte geothermische Stromproduktion von ca. 10 TWh/a, entsprechend etwa 2 % der jährlichen Bruttostromerzeugung Deutschlands.

Vor allem die Abschätzungen zu den technischen Nachfragepotenzialen verdeutlichen die Schwierigkeiten, die mit einer weitergehenden Nutzung der geothermischen Stromerzeugung verbunden sind. Eine wirtschaftliche geothermische Stromerzeugung kann voraussichtlich nur mit KWK erreicht werden. Damit wird die potenzielle Wärmenachfrage zum wesentlichen Hemmschuh. Denn selbst das Ersetzen ausnahmslos aller bestehenden Fernwärmeheiz(kraft)werke erlaubt, wie geschildert, lediglich eine geothermische Stromproduktion in KWK von 2 % der Bruttostromerzeugung Deutschlands. Dies entspricht einer Größenordnung, die zwar einen Beitrag zur Reduktion der energiebedingten Umweltauswirkungen leisten kann, aber aus energiewirtschaftlicher Sicht nur begrenzt relevant ist.

Stand der Technik und den Entwicklungsperspektiven

Die wesentlichen technischen Elemente, die zur Integration in ein Gesamtsystem zur geothermischen Strom- bzw. Strom- und Wärmebereitstellung erforderlich sind, sind durch einen recht unterschiedlichen Entwicklungsstand gekennzeichnet. Während z.B. die Bohrtechnik – als Schlüsseltechnologie in der Erdöl-/Erdgasindustrie – technologisch ausgereift ist, befindet sich die Stimulationstechnik noch im Pilotstadium.

Die Weiterentwicklung der Stimulationstechnik zur Steigerung der Ergiebigkeit geothermischer Reservoire ist von herausragender Bedeutung, da damit ein riesiges Energiepotenzial, vor allem in kristallinem Gestein (HDR), erschlossen werden könnte. Auch zur Verringerung des Fündigkeitsrisikos beim Erbohren von Aquiferen und Störungszonen ist die Stimulationstechnik bedeutsam. Bei der Kraftwerkstechnik gibt es ebenfalls noch wesentliche anlagentechnische Optimierungs- und Weiterentwicklungspotenziale.

Die Integration der einzelnen Komponenten in ein Gesamtsystem wird derzeit in verschiedenen Pilotprojekten betrieben. Es kann davon ausgegangen werden, dass im Laufe der nächsten Jahre geothermisch erzeugter Strom in das deutsche Netz eingespeist werden wird. Bereits im Herbst 2003 soll im mecklenburgischen Neustadt-Glewe das erste Erdwärmekraftwerk Deutschlands in Betrieb gehen.

Kosten geothermischer Stromerzeugung

Der hier vorgenommene Vergleich der Stromerzeugungskosten ergibt, dass die geothermische Stromerzeugung auf der Basis der heute vorhandenen Techniken und Verfahren als eine vergleichsweise teure Option einzustufen ist. Ihre Stromerzeugungskosten liegen mehr oder weniger deutlich über denen der regenerativen Optionen Windkraft, Wasserkraft und Biomasse und weit über den Stromerzeugungskosten der betrachteten fossilen Optionen Steinkohle und Erdgas. Nur Strom aus Photovoltaik ist (weitaus) teurer.

Bei der Beurteilung dieser Ergebnisse ist aber zu beachten, dass die dargestellten Kostenschätzungen für die geothermische Stromerzeugung in hohem Maße von den getroffenen Annahmen abhängig sind. „Günstigere“ Annahmen, z.B. über die Thermalfluidtemperatur und das Thermalwasserfördervolumen, würden zu beträchtlich niedrigeren Kostenschätzungen führen.

Zu beachten ist vor allem auch, dass die Technologie der geothermischen Stromerzeugung sich noch in einem frühen Entwicklungs- und Einsatzstadium befindet und noch große Entwicklungspotenziale aufweist, deren Nutzung weitere Kostenreduktionen erwarten lässt.

Umweltauswirkungen geothermischer Stromerzeugung

Die Umweltauswirkungen der geothermischen Stromerzeugung sind aus gegenwärtiger Sicht bei der Errichtung der Anlage, im Normalbetrieb, bei möglichen Störfällen sowie bei der Nachsorge gering. Bei allen quantitativ untersuchten Umwelteffekten – Treibhauseffekt, Versauerung, Primärenergieverbrauch – liegt die Geothermie ähnlich günstig wie andere regenerative Optionen zur Stromerzeugung. Besonders bei den CO2-Emissionen schneidet sie wesentlich besser ab als die Stromerzeugung aus Erdgas (Faktor 5) oder Steinkohle (Faktor 10). Geothermische Stromerzeugung könnte daher einen substanziellen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Durch Nutzung der mit der Stromerzeugung gekoppelt anfallenden Wärme können die an sich schon sehr guten Umwelteigenschaften der geothermischen Stromerzeugung noch günstiger gestaltet werden.

Handlungsbedarf

Handlungsbedarf besteht vor allem im Hinblick auf die Erschließung der Kostenreduktionspotenziale, die in der Weiterentwicklung der Technik liegen, die Reduzierung von Fündigkeits- und die Absicherung von Investitionsrisiken sowie die Problematik der Nutzung der großen bei Kraft-Wärme-Kopplung anfallenden Wärmemengen.

Wenn das Ziel einer energiewirtschaftlich relevanten Nutzung geothermischer Ressourcen ernsthaft verfolgt werden soll, müsste die bestehende staatliche Unterstützung dieser Option verstärkt und ergänzt werden. Die Förderung von Techniken und Projekten zur geothermischen Stromerzeugung im Rahmen des Zukunfts-Investitionsprogramms (ZIP) der Bundesregierung sollte verstärkt werden. Die Laufzeit des Programms sollte um mindestens fünf Jahre verlängert werden, um weitere Projekte für unterschiedliche Standortbedingungen initiieren zu können. Es sollten begleitende Untersuchungen zu den Demonstrationsprojekten gefördert werden mit dem Ziel, das Verständnis für die Integration der Gesamtsysteme in den Energiemarkt zu verbessern.

Die Einspeisevergütungen des EEG für Strom aus geothermischer Energie sollten mindestens auf dem gegenwärtigen Stand gehalten werden.

Zur Reduzierung von Fündigkeitsrisiken sind erhebliche Verbesserungen der Datenbasis erforderlich. Besonders wichtig ist die umfassende und systematische Zusammenstellung von Untergrundtemperaturdaten und von Daten über die hydraulischen Eigenschaften der Reservoirs. Ein zu erstellender „Atlas der geothermischen Stromressourcen in Deutschland“ mit detaillierten Informationen über die lokalen geologischen und geothermischen Standortbedingungen würde eine wichtige Voraussetzung schaffen für realistische Einschätzungen von Investitionsrisiken und damit für Standortentscheidungsprozesse. Solche Aktivitäten zur Verbesserung der Datenlage sollten öffentlich gefördert werden.

Da beim Abteufen der ersten Bohrungen an neuen Standorten immer Fündigkeitsrisiken verbleiben, sollte vor allem bei den ersten Demonstrationsprojekten eine Absicherung der Bohrrisiken von staatlicher Seite erwogen werden.

Die Möglichkeiten staatlicher Einflussnahme auf Bundesebene auf den Prozess der Realisierung größerer Beiträge der geothermischen Stromerzeugung in Kraft-Wärme-Kopplung – insbesondere auf den Zubau von Wärmeverteilnetzen – sind nur indirekter Natur. Die Aufgabe besteht darin, vor allem durch die Förderung von technischen Entwicklungen, Pilot- und Demoprojekten, die Absicherung von Investitionsrisiken und die Erlössicherung für geothermisch erzeugten Strom die Voraussetzungen für einen solchen Prozess zu verbessern.

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