Geothermie: Geothermische Wärmespeicher (Aquiferspeicher) als Beitrag zur Energiewende

Umweltverträgliche Nutzung von Wärmespeichern im Grundwasser

Konflikte zwischen Klimaschutz und Grundwasserschutz vermeiden

Zum Erreichen der Klimaschutzziele der Bundesregierung wird der Ausbau der erneuerbaren Energien vorangetrieben. Dabei gewinnt die thermische Nutzung des Untergrundes zur Speicherung von Lastspitzen aus Windkraft und Solarenergie zunehmend an Bedeutung. Geothermische Energie- bzw. Wärmespeicher unterschiedlicher Größe und Lage bilden als saisonale Puffersysteme, zur Gebäudeklimatisierung und für die Speicherung von Überschussstrom (Power-to-heat) einen wichtigen Baustein.

Unterirdische Gesteinsschichten und Grundwasserleiter stellen aufgrund des großen Wärmespeicherpotenzials einen geeigneten Speicherraum dar (Aquiferspeicher). Bei einer wasserwirtschaftlichen und geothermischen Nutzung oberflächennaher und tiefer Grundwasserleiter ist eine nachhaltige, vorausschauende und vorsorgende Planung erforderlich. Konflikte zwischen den unterschiedlichen Nutzungen sind zu vermeiden. Der Schutz des Grundwassers wird im Wasserhaushaltsgesetz (WHG) geregelt. Hierin wird dem Grundwasser vorrangig eine wasserwirtschaftliche Nutzung für die öffentliche Wasserversorgung eingeräumt. Insbesondere zur Gewinnung von Trinkwasser. 

Typische geothermische Speicher im Grundwasser:

Ermittlung und Bewertung thermischer Veränderungen im Grundwasser

Bei dem vom Umweltbundesamt initiierten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben (FKZ) werden die potenziellen Auswirkungen eines "thermischen Einflusses" (Thermal Impact) auf die Beschaffenheit und die Qualität der Ressource Grundwasser ermittelt. Hierzu werden die internationalen Erfahrungen gesammelt, validiert und im Projektteam bewertet. Im Fokus der Untersuchung stehen die durch geothermische Speicher induzierte Beeinflussung von natürlichem sowie thermisch vorbelastetem Grundwasser (z. B. urbane Wärmeinseln). Ebenso werden die wechselseitigen Einflüsse zwischen geothermischen Speichern und durch Schadstoffe kontaminiertem Grundwasser untersucht und bewertet. Bei den Bewertungen der Einflüüse auf das Grundwasser sind oberflächennahe und mitteltiefe geothermische Speicher von besonderem Interesse.

Für die thermische Grundwassernutzung existieren auf Bundesebene keine konkreten gesetzlichen Vorgaben, z.B. in Form von Schwellenwerten. Die einzelnen Bundesländer wenden in der Vollzugspraxis unterschiedliche, oftmals empirisch gewonnene Entscheidungskriterien an. Es erfolgt derzeit kaum eine differenzierte Bewertung von induzierten Temperaturveränderungen im Grundwasser. Als Grundlage für wissenschaftlich begründete Kriterien für eine thermische Bewirtschaftung sind unterschiedliche Randbedingungen zu beachten. Die Evaluierung potenzieller Auswirkungen durch einen thermischen Einfluss auf die physikochemische, biologische und ökologische Beschaffenheit des Grundwassers und die Ableitung von Temperatur-Toleranzbereichen stehen im Fokus diese FKZ-Vorhabens.

 

Thermische Bewirtschaftung des Grundwassers

Natürlicher, weitestgehend unbeeinflusster Aquifer (Grundwasserleiter) 

Oberflächennahes, anthropogen unbeeinflusstes Grundwasser weist eine Temperatur auf, die ungefähr der ortstypischen Jahresdurchschnittstemperatur an der Erdoberfläche entspricht. Diese liegt in Deutschland meist im Bereich zwischen 9 und 14 °C. Alle im Aquifer stattfindenden physikochemischen und biochemischen Prozesse sind temperaturabhängig. Diese überlagern sich zu einem komplexen Wirkgefüge und erfordern eine differenzierende Analyse, Bewertung und Quantifizierung.

Thermisch vorbelasteter Aquifer (u.a. geothermische Wärmeinseln (urban heat islands)) 

Urbane Räume, insbesondere Ballungsräume und Großstädte, weisen oft thermisch vorbelastete Grundwasserleiter auf. Weitere potenziell thermisch vorbelastete Aquifere können auch im Zusammenhang stehen mit Bergbau- und Bergbaufolgelandschaften, Industriegebieten (Prozesskühlwasser) oder Oberflächengewässern. Die kumulative Beeinflussung wirkt sich dabei meist als Temperaturerhöhung aus und schafft eine spezifische, temperaturabhängige ökologische Diversität. Erhöhte Temperaturen im Boden und Grundwasser beeinflussen die Vulnerabilität des ökologischen IST-Zustands. Für den Bewertungsprozess werden urbane Einflüsse über den Energieeintrag oder lokale Temperaturanstiege im Grundwasser abgebildet und berücksichtigt.

Durch Schadstoffe kontaminierter Aquifer (Grundwasserleiter) 

Schadstoffe im Boden und im Aquifer können diese so stark kontaminieren, dass eine wasserwirtschaftliche Nutzung des Grundwassers beeinträchtigt wird. Kontaminationen in der Bodenzone können als flüssige Schadstoffe oder im Sickerwasser in den Aquifer eingetragen werden und das Grundwasser belasten. 

Eine Temperaturänderung wirkt sich in der Regel auch auf die Schadstoffmobilität aus. Auch ein möglicher mikrobiologischer Schadstoffabbau wird von der Temperatur beeinflusst. Die thermische Beeinflussung (Wärmeentzug, Wärmeeinleitung) im Grundwasser durch geothermische Speicher und Anlagen werden analysiert und ihre Auswirkungen auf hydrochemische Prozesse untersucht und bewertet.

Auftraggeber

Umweltbundesamt
Wörlitzer Platz 1
06844 Dessau-Roßlau
Tel. +49-340-2103-2416

buergerservice[at]uba.de
www.umweltbundesamt.de

Projektpartner

reconsite GmbH
Auberlenstraße 13
70736 Fellbach
Tel. +49-711-410190-11
info[at]reconsite.com
www.reconsite.com

Jungk-Consult GmbH, Berlin
Torstraße 177
10115 Berlin
Tel. +49-30-3020890
info[at]jungk-consult.de
www.jungk-consult.de

BGD ECOSAX GmbH
Tiergartenstraße 48
01219 Dresden
Tel. +49-351-47878-9800
post[at]bgd-ecosax.de
www.bgd-ecosax.de

Abschlussbericht Aquiferspeicher

Bewertungsverfahren für geothermische Speicher

Weitere Publikationen und Vorträge

Wolfram Canzler, Volker Jungk, Uwe Hiester, Kai-Uwe Ulrich, Dieter Poetke, Andreas Bertram: Systematische Modellierung thermischer Auswirkungen von UTES zur Verwendung mit thermischen Geringfügigkeitsschwellen für eine umweltverträgliche Nutzung von Aquiferen. Tagungsband: Grundwasser – Klima – Gesellschaft. 28. Tagung der FH-DGGV Jena, 23.-25. März 2022. Thorsten Schäfer, Kai Uwe Totsche, Maike Rüsgen (Hrsg.): Fachsektion Hydrogeologie e.V. in der DGGV e.V. 2022. Schriftenreihe der FH-DGGV e.V., Heft 3, Tagungsband 2022,113-114, ISBN 978-3-926775-77-1, Karlsruhe.

Kai-Uwe Ulrich, Dieter Poetke, Wolfram Canzler, Volker Jungk, Uwe Hiester, Bernd Kirschbaum: Vorschlag thermischer Geringfügigkeitsschwellen für eine umweltverträgliche thermische Nutzung von Aquiferen. Tagungsband: Grundwasser – Klima – Gesellschaft. 28. Tagung der FH-DGGV Jena, 23.-25. März 2022. Thorsten Schäfer, Kai Uwe Totsche, Maike Rüsgen (Hrsg.): Fachsektion Hydrogeologie e.V. in der DGGV e.V. 2022. Schriftenreihe der FH-DGGV e.V., Heft 3, Tagungsband 2022,114-115, ISBN 978-3-926775-77-1, Karlsruhe.

Uwe Hiester, Volker Jungk, Wolfram Canzler, Dieter Poetke, Kai-Uwe Ulrich: Orientierende Handlungshilfe zur Bewertung der Auswirkungen geothermischer Wärmespeicher auf die Grundwasserqualität / Orientating action aid for assessing the impacts of geothermal heat stores on groundwater quality. Geotherm 2021. 24.-25.06.2021, Online-Kongress

Uwe Hiester, Florian Ludwig, Volker Jungk, Wolfram Canzler, Dieter Poetke, Kai-Uwe Ulrich, Adrian Horn:  Altlasten, Grundwasserschutz, Grundwasserökologie - Wo ist da noch Platz für geothermische Speicher? Seminar 12/2018: Oberflächennahe Geothermie, 04.12.2018, Stuttgart, Org.: Fortbildungsverbund Boden und Altlasten Baden-Württemberg

Florian Ludwig, Uwe Hiester, Volker Jung, Claus Nitsche, Dieter Poetke:  Geothermische Wärmespeicher ohne nachteilige Veränderung der Grundwasserqualität - Chance oder Konfliktfeld bei der Energiewende? FH-DGGV-Tagung, 21.-24.03.2018, Bochum, Org.: FH-DGGV

Florian Ludwig, Uwe Hiester, Volker Jung, Claus Nitsche, Dieter Poetke:  Auswirkungen geothermischer Wärmespeicher auf die Grundwasserqualität – Handlungsbedarf im Genehmigungsverfahren? GeoTHERM-Fachtagung, 01.-02.03.2018, Offenburg, Org.: GeoTHERM Expo & Congress