Um die Energiewende weiter voranzutreiben, hat die Fraunhofer-Gesellschaft, die größte Organisation für anwendungsbezogene Forschung in Europa, im Januar 2020 die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG (Fraunhofer IEG) gegründet. Sie setzt sich aus Forschungsinstituten aus mehreren Städten in West- und Ostdeutschland zusammen, die alle stark vom Strukturwandel betroffen sind. Der Strukturwandel hat zum Ziel, die auf Braunkohleverbrennung basierende Strom- und Wärmegewinnung bis 2038 durch erneuerbare Energien zu ersetzen, ohne dass die Anzahl der Arbeitsplätze abnimmt. Vorige Strukturwandel (wie der im Ruhrgebiet nach Schließung der Steinkohlezechen) haben gezeigt, dass es möglich ist und Arbeitsplätze sich verschieben. Einige Branchen werden verloren gehen, während neue entstehen.
Professor Dr. Rolf Bracke, Leiter des Fraunhofer IEG, forscht im Rahmen der Energiewende unter anderem an den Themen Sektorkopplung, Energieinfrastrukturen, Systemführung, Wasserstoff und Geothermie.
Im folgenden Interview für geothermal4climate.de gibt Prof. Bracke spannende Antworten und Einblicke in die aktuelle Forschung, wie zum Beispiel die Tiefengeothermie zur Wärmeversorgung.
Frage 1: Was den Ausbau der erneuerbaren Energien betrifft, wird immer besonders darauf geschaut, wie viel Strom damit erzeugt werden kann. Warum ist auch eine Wärmewende so wichtig? Und wie groß ist der Anteil, den die Tiefengeothermie dazu beitragen kann?
Prof. Bracke: Wärme ist die halbe Energiewende! Über 50 Prozent des deutschen Primärenergieeinsatzes nutzt Deutschland für Wärme und Heizung in Industrie, Gewerbe, Landwirtschaft oder Wohnen. Und im Gegensatz zum Strommarkt trugen nachhaltige Energiequellen laut BMWi in 2018 noch weniger als 15 Prozent bei. Sie müssen sich vorstellen, dass etwa eine Papierfabrik oder ein Zuckerwerk laufend Prozesse bei Temperaturen von 100 bis 150 Grad Celsius betreibt. Das Gleiche gilt für Chemieindustrie und Landwirtschaft, für Nahrungsmittelherstellung, Metall-, Zement- und Bauindustrie. Und natürlich für die Fernwärmenetze der deutschen Ballungszentren. Mit Wärme aus drei bis fünf Kilometer Tiefe lassen sich die meisten Wärmebedarfe unserer Gesellschaft erfüllen, nachhaltig, regional und grundlastfähig.
Frage 2: Im Januar 2020 wurde die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG gegründet. Sie ist eine Fraunhofer-Einrichtung in Deutschland, die mehrere Standorte hat, und zwar rekordverdächtige sieben in vier Bundesländern. Warum gibt es so viele Standorte und hat die Lage der Standorte auch etwas mit der Dringlichkeit vor Ort zu tun, geothermische Energie zu nutzen? Wie sehen insgesamt die Forschungsbereiche des Fraunhofer IEG aus?
Prof. Bracke: Die Energiewende ist eine Herausforderung für ganz Deutschland, aber insbesondere für die Energie- und Kohleregionen Rheinland, Ruhrgebiet, Mitteldeutschland und Lausitz. Bis 2038 wird hier das Kapitel Kohle geschlossen. Der Strukturwandel ist im vollen Gange. Unternehmen müssen Geschäftsmodelle ändern oder sich neue Energiequellen erschließen. Der Bundestag hat uns ins Stammbuch geschrieben, diesen Wandel zu begleiten und neue Impulse zu setzen. Wir ergänzen das schon breite Kompetenzportfolio der Fraunhofer-Gesellschaft mit spezifischen Feldern, die in der nächsten Phase der Energiewende gebraucht werden: Sektorkopplung, Energieinfrastrukturen, Systemführung, Wasserstoff und natürlich Geothermie von der Projektentwicklung, über die Erschließung bis hin zum Betrieb von Anlagen. Die Standorte des Fraunhofer IEG werden daher in Aachen, Bochum, Cottbus, Karlsruhe, Jülich, Weisweiler und Zittau entwickelt.
Frage 3: Nahe des Kohlekraftwerks in Weisweiler wird ein wichtiger Forschungsstandort des Fraunhofer IEG entstehen, um die Wirtschaftlichkeit der Tiefengeothermie zu beurteilen. Das Potenzial ist riesig. Die geothermische Energiereserve im Untergrund kann den gesamten Energiebedarf der Region für Jahrhunderte sicherstellen. Wie sehen die Forschungsschwerpunkte in Weisweiler genau aus?
Prof. Bracke: In Weisweiler bauen wir ein Forschungskraftwerk für Tiefengeothermie auf. Eine kommende Bohrung in Weisweiler wird an dieses Reallabor angebunden. Dort wird über Wärmetauscher Energie gewonnen mit denen Versuchsstände für geothermische Strom-, Wärme- und Kältetechnik aufgebaut und betrieben werden. Wir schaffen die Voraussetzung für den Aufbau und den Betrieb der Übertagetechnik und für eine wirtschaftliche Nutzung durch regionale Versorger bei der Umstellung ihrer Fernwärmenetze auf Erneuerbare Energien. Parallel entsteht ein Untergrund-Observatorium, dass der Überwachung von Reservoirprozessen dient. Die Gesamt-Anlage wird eine Entwicklungsumgebung und Nukleus der Tiefengeothermie-Industrie mit der Zielsetzung einer Verbreitung tiefengeothermischer Projekte in Europa. Gleichzeitig soll die Einrichtung als Aus- und Weiterbildungszentrum für geothermale Technologie dienen.
Frage 4: Die Rhein-Ruhr-Region hat mit seinen 10 Millionen Einwohnern den höchsten Wärmebedarf in ganz Deutschland. Momentan stammt die Wärme für die Millionen Haushalte hier aber auch in vielen anderen Ballungsräumen auch aus der Abwärme der Kohlekraftwerke. Wenn sie ab 2030 abgeschaltet werden, soll die Tiefengeothermie diese Abwärme ersetzen. Was muss dafür noch geschehen? Und welche Rolle spielen dabei die Schächte ehemaliger Zechen im Ruhrgebiet?
Prof. Bracke: Um die Tiefengeothermie voranzutreiben, braucht es eine qualifizierte Erkundung der tiefen Erdschichten. Unter NRW liegen Kalksteine aus den erdgeschichtlichen Epochen des Karbons und des Devons; dies wissen wir. Doch wie dick sind sie und wie tief? Sind sie porös und zerklüftet? Wie viel Thermalwasser führen sie und bei welcher Temperatur? Nur wenn wir das wissen, können wir die Wärmeversorgung ordentlich planen. Gebiete wie München oder Norddeutschland sind da schon weiter, weil hier Daten aus der richtigen Tiefe aus den Jahrzehnten der Suche nach Erdgas und Erdöl vorliegen. In NRW lag der Fokus auf Kohle und die Daten stammen eher aus den obersten 1000 Metern. Was darunter genau liegt, müssen wir nun erkunden.
Auf der anderen Seite liegen gerade im Ruhrgebiet in den oberen 1000 Meter viele stillgelegte Steinkohlezechen, die mittlerweile voll Wasser gelaufen sind. Diese eignen sich gut als Wärmespeicher für lokale und regionale Wärmenetze. Die Wärme aus Sonnenkollektoren und Klimaanlagen lässt sich im Sommer in das Grubenwasser einleiten und im Winter wieder für die Heizung nutzen. Dafür reichen schon Wassertemperaturen ab 60 Grad Celsius. Neben der Geophysik von Bergbauanlagen braucht es hier auch passende Wärmetauscher und Wärmepumpen, um zwischen den geforderten Temperaturniveaus zu vermitteln. Deshalb verbinden wir am Fraunhofer IEG Ingenieur- und Geowissenschaften zu neuen Anwendungen in der Energiewende.
Frage 5: Nordrhein-Westfalen ist ein Industrieland. Der größte Teil der Unternehmen produziert im Temperaturbereich zwischen 50° C und 150° C. Könnte hier die Tiefengeothermie ebenfalls eine wichtige Rolle spielen?
Prof. Bracke: Auf jeden Fall. Die Kohle hat viele energieintensive Industrien in die Region gebracht und die Unternehmen überlegen sich nun sehr genau, wie ihren Energiebedarf in Zukunft decken sollen. Es ist ja absehbar, dass nach der Kohle auch Erdöl und Erdgas in den Fokus der Dekarbonisierung rücken werden. Lohnt sich jetzt noch die Investition in eine erdgasbetriebene Papiertrocknungsanlage? Wie beheize ich meine Lagerhallen, wenn die Erdölheizung in die Jahre kommt? Wie mache ich mich unabhängig von Energieimporten und steigenden Preisen für Energie und Kohlendioxidemission? Tiefengeothermie kann hier Antworten geben.
Frage 6: Unsere Wärmenetze sollen in Zukunft noch effizienter werden. Die Wärmenetze der Zukunft sollen vollständig aus erneuerbaren Energien gespeist werden. Außerdem sollen sie je nach Bedarf Wärme und Kälte am selben Ort liefern können. Können Sie den Aufbau und die Funktionsweise der Wärmenetze der Zukunft etwas genauer erklären?
Prof. Bracke: Geothermie und Energieeffizienz gehen hier Hand in Hand. In einem ordentlich gedämmten Gebäude mit einer Fußbodenheizung reichen schon Heizwassertemperaturen von 30 bis 40 Grad Celsius, um die Raumtemperatur auf 18 bis 21 Grad Celsius zu halten. Für ein einzelnes Haus kann das schon eine flache Erdwärmesonde mit Wärmepumpe leisten. Aber es macht Sinn, diese Bedarfe in Quartieren und Stadtvierteln über Wärmenetze zu bündeln und mit tiefer Geothermie zu bedienen. Der nächste Schritt ist es auch die Kältebedarfe mitzudenken, also Klimaanlagen, industriellen Kühlanlagen und Abwärme. Die Wärmepumpentechnologie und regenerativer Strom bieten hier die Möglichkeit, nachhaltig Wärme auf verschiedenen Niveaus in ein vermittelndes Wärmenetz einzuspeisen. Verbinden Sie dies mit einem großen Wärmespeicher im Untergrund und sie erhalten ein örtlich und zeitlich gepuffertes, nachhaltiges Wärmenetz, welches ohne fossile Quellen auskommt.
Vielen Dank für das Gespräch!