Im Inneren des Erdballs steckt viel Energie – Vulkane, Geysire und heiße Quellen zeugen davon. Heiße Quellen werden seit Jahrtausenden zum Baden benutzt, beispielsweise auf Lipari bei Sizilien oder in einigen Thermal-Kurorten Bayerns. Richtige Erdwärme-Heizungen gibt es bereits seit 1904 in der Toskana. In 55 Ländern der Erde wird Erdwärme genutzt, z. B. USA, Philippinen, Neuseeland oder Island. Aber auch in weniger begünstigten Gebieten stellt die Erde ihre Energie zur Verfügung: Bohrt man von der Erdoberfläche in die Tiefe, so steigt die Temperatur im Durchschnitt alle 100 Meter um drei Grad an. In 3.000 Meter Tiefe kann man ca. 85°C erwarten – genug, um damit zu heizen.
Wieso ist es in der Erde warm?
In der festen Erdkruste entsteht Wärme durch den Zerfall von natürlichen radioaktiven Isotopen. Die Temperatur im flüssigen Inneren der Erde beträgt nach heutigen Schätzungen zwischen 3.000 und 10.000°C. Etwa 40 Prozent des Wärmestroms, der an der Erdoberfläche ankommt, stammt aus dem Erdinneren, die restlichen 60 Prozent kommen aus der Erdkruste. Der Wärmestrom heizt zunächst das Gestein in der Tiefe auf, natürlich aber auch Wasser, das in solche tiefliegenden Schichten eindringt. Dieses heiße Wasser wird als Thermalwasser bezeichnet, diese Form der Geothermie als „hydrothermale Geothermie”.
In Südbayern sind die geologischen Voraussetzungen optimal, um Wärme aus der Erde zu gewinnen.
Der Raum München liegt im sogenannten „nordalpinen Molassebecken”. Hier sind die Voraussetzungen für hydrothermale Geothermie sehr gut: Tief unter der Erdoberfläche befindet sich ein riesiger Vorrat an heißem Wasser, der relativ einfach angezapft werden kann. Dieser Energiespeicher bildete sich bei der Faltung der Alpen. Dabei wurden die Gesteinsschichten des heutigen Voralpenlandes im Süden nach unten gedrückt. Darüber lagerten sich frische Sedimente ab, so dass heute die Kalksteinschicht des Malm nördlich der Donau an der Oberfläche, unter München aber mehr als 2000 Meter tief liegt.
Der Malm-Kalkstein ist fast überall stark verkarstet, also von Spalten und Rissen durchzogen. Diese „Karsthohlräume” sind mit heißem Wasser gefüllt. Die Temperatur des Wassers ist von der Tiefenlage des Malm abhängig: Bei Straubing beträgt sie 35 Grad Celsius, in Riem wurden in 2.800 Meter Tiefe 90 Grad Celsius erreicht.
Damit dieses heiße Wasser genutzt werden kann, muss es an die Oberfläche geholt werden.
Dabei bietet der verkarstete Malm-Kalkstein noch einen weiteren, für die Wärmegewinnung wesentlichen Vorteil: Durch seine Hohlräume fließt das Wasser relativ gut, so dass mit einem Bohrloch eine große Wassermenge gefördert werden kann. Im Projekt Pullach rechnet man mit einer Thermalwasser-Menge von ca. 50 Liter/Sekunde.
Das Prinzip „Nachhaltigkeit”
Bei der in Pullach geplanten Geothermie-Anlage wird nur der Energieinhalt des heißen Wassers genutzt:
Nach der Übertragung der Wärme auf das Fernwärmenetz mittels Wärmetauscher wird das abgekühlte, ansonsten aber nicht veränderte Wasser wieder in die gleiche geologische Schicht, aus der es kam – den Malm – zurückgeleitet. Das ist erforderlich, um den Wasserhaushalt in der Tiefe nicht zu stören. Der natürliche Zufluss von Wasser in diese Schicht ist nämlich sehr gering. Deshalb müssen zwei Bohrungen niedergebracht werden, die sogenannte „Dublette”. Durch die erste Bohrung, die „Förderbohrung”, wird das heiße Wasser nach oben gefördert. Die zweite Bohrung, die „Reinjektionsbohrung”, führt das abgekühlte Wasser wieder zurück in den Malmkarst. Damit es nicht sofort wieder zur Förderbohrung fließt, liegt der Endpunkt der Reinjektionsbohrung etwa zwei Kilometer vom Ende der Förderbohrung entfernt. Das zurückgeführte Wasser wird im Laufe der Zeit wiedererwärmt und kann dann erneut genutzt werden.
„Tiefen–Wissen”
Grundlage für die Planung des Pullacher Geothermieprojektes sind detaillierte Auswertungen der umliegenden Tiefbohrungen. Im Raum München gibt es eine Reihe von Tiefbohrungen, die bis zum Malm-Aquifer – unseren Tiefengrundwasserleiter – gebohrt oder durch diesen sogar hindurch gebohrt haben. Für das Projekt Pullach wurden die Daten folgender Bohrungen ausgewertet und in die Beurteilung vor allem hinsichtlich der zu erwartenden Wassertemperatur und Schüttung einbezogen: Oberdill und Krailling im Westen von Pullach, Unterschleissheim und Erding im Norden, Riem und Anzing im Osten sowie Thanning im Süden. In diesem Gebiet vermutete man Erdöl- und Erdgasvorkommen, was in den vergangenen Jahrzehnten zu einer intensiven Explorationstätigkeit führte.
In den in unmittelbarer Nähe zu Pullach liegenden Bohrungen Oberdill und Krailling wurden keine nennenswerten Gas- und Ölvorkommen angetroffen. Die potenziellen Speichergesteine, die über dem Malm-Aquifer liegen, verfügten über keine wirtschaftlich nutzbare Struktur und im Malmkarst werden für den Bereich Pullach keine Kohlenwasserstoffvorkommen erwartet. Dennoch sind, entsprechend den bergrechtlichen Vorschriften, beim Erstellen der Tiefbohrungen auch hier alle Sicherheitsvorkehrungen für
Tiefbohrungen in erdöl- oder erdgashöffigen Gebieten zu berücksichtigen und einzuhalten. Für den südlichen Raum von München wurden 1979 von der Erdölindustrie eine Vielzahl seismischer Erkundungsprofile erstellt, indem man an der Erdoberfläche Erdstöße erzeugte und deren Reflexionen an den verschiedenen Gesteinsschichten erfasste. Auf der Basis dieser Daten können Aussagen über Tiefenlage, Abfolge und Ausdehnung der Gesteinsschichten und das Auftreten von Störungssystemen im Gestein gemacht werden. Von besonderer Bedeutung für unser Projekt sind Profile der RWE-Dea, die im Pullacher Raum westlich und östlich der Isar verlaufen. Durch deren Auswertung konnten vor allem für die Tiefenbereiche ab 2.500 m unter Geländeoberkante (GOK) mit der Bestimmung der Oberkante des Malm-Tiefengrundwasserleiters qualifizierte Aussagen erreicht werden: Diese ist bei einer Tiefe von 2.860 m unter GOK anzusetzen.
Tiefengrundwasser – ein Bodenschatz
Die Pullacher Geothermie-Bohrung hat Tiefengrundwasser im Malm-Karst erschlossen. In seinen Gesteinsschichten mit Hohlräumen wie Poren, Klüften, Fugen oder Karsthohlräumen kann Grundwasser fließen. So einen Grundwasserleiter nennt man Aquifer. Das hydraulische Vermögen eines Aquifers Grundwasser zu leiten wird als Durchlässigkeit bezeichnet. Die mittlere Durchlässigkeit im Raum Pullach schätzt man durch Vergleiche mit anderen Bohrungen im süddeutschen Raum auf – grob gerechnet – 1 Meter pro Tag.
Ein Aquifer kann Wasser nicht nur leiten, sondern auch speichern. Das Grundwasser löst im Aquifer Stoffe und transportiert diese Lösungen. Aus der Kenntnis solcher Vorgänge und der jeweiligen Wasserbeschaffenheit sind Aussagen über die Herkunft und Bewegung des Grundwassers möglich.
Durchlässigkeit und Speichervermögen eines Gesteins hängen nicht nur von dessen Ausbildung hinsichtlich Poren und Hohlräumen ab, sondern auch von den physikalischen Eigenschaften des Wassers, wie z.B. Temperatur und Dichte. Mit zunehmender Tiefe und Aufenthaltsdauer des Grundwassers ändert sich auch dessen chemische Zusammensetzung. Alte Tiefengrundwässer besitzen einen höheren Lösungsinhalt, sind vor allem reicher an Natrium und Chlorid und ärmer an Kohlensäure.
Um die Tiefengrundwasserbilanz nicht zu stören, ist es notwendig, das entnommene Wasser, nachdem man ihm einen Teil der Wärme entzogen hat, in einer zweiten Bohrung, der Reinjektionsbohrung, wieder dem Aquifer zuzuführen. Nur etwa 3 Liter pro Sekunde dürfen für balneologische (Bade-) Zwecke verwendet werden. Man geht davon aus, dass diese Menge durch natürliche Zuflüsse zum Tiefengrundwasser wieder ausgeglichen wird.
Um möglichst viel Thermalwasser zu erschließen sind abgelenkte, also schräge Bohrungen im Aquifer vorteilhaft. Das Tiefengrundwasser steht unter Druck und steigt in den Rohren der Bohrungen auf ca. 100 bis 200 Meter unter Geländeoberkante an. Die Differenz zur Geländeoberkante muss durch die Förderpumpen bewältigt werden.
Den Gesamtmineralienanteil des geförderten Wassers schätzt man auf voraussichtlich 600 bis 800 Milligramm je Liter. Für die Bezeichnung „Heilwasser” ist jedoch ein Mindestwert von 1000 Milligramm je Liter vorgeschrieben. Um „Thermalwasser” handelt es sich allemal.
Der Malm-Kalkstein ist fast überall stark verkarstet, also von Spalten und Rissen durchzogen. Diese „Karsthohlräume” sind mit heißem Wasser gefüllt. Die Temperatur des Wassers ist von der Tiefenlage des Malm abhängig: Bei Straubing beträgt sie 35 Grad Celsius, in Riem wurden in 2.800 Meter Tiefe 90 Grad Celsius erreicht.
Damit dieses heiße Wasser genutzt werden kann, muss es an die Oberfläche geholt werden.
Dabei bietet der verkarstete Malm-Kalkstein noch einen weiteren, für die Wärmegewinnung wesentlichen Vorteil: Durch seine Hohlräume fließt das Wasser relativ gut, so dass mit einem Bohrloch eine große Wassermenge gefördert werden kann. Im Projekt Pullach rechnet man mit einer Thermalwasser-Menge von ca. 50 Liter/Sekunde.
Nach der Übertragung der Wärme auf das Fernwärmenetz mittels Wärmetauscher wird das abgekühlte, ansonsten aber nicht veränderte Wasser wieder in die gleiche geologische Schicht, aus der es kam – den Malm – zurückgeleitet. Das ist erforderlich, um den Wasserhaushalt in der Tiefe nicht zu stören. Der natürliche Zufluss von Wasser in diese Schicht ist nämlich sehr gering. Deshalb müssen zwei Bohrungen niedergebracht werden, die sogenannte „Dublette”. Durch die erste Bohrung, die „Förderbohrung”, wird das heiße Wasser nach oben gefördert. Die zweite Bohrung, die „Reinjektionsbohrung”, führt das abgekühlte Wasser wieder zurück in den Malmkarst. Damit es nicht sofort wieder zur Förderbohrung fließt, liegt der Endpunkt der Reinjektionsbohrung etwa zwei Kilometer vom Ende der Förderbohrung entfernt. Das zurückgeführte Wasser wird im Laufe der Zeit wiedererwärmt und kann dann erneut genutzt werden.
Tiefbohrungen in erdöl- oder erdgashöffigen Gebieten zu berücksichtigen und einzuhalten. Für den südlichen Raum von München wurden 1979 von der Erdölindustrie eine Vielzahl seismischer Erkundungsprofile erstellt, indem man an der Erdoberfläche Erdstöße erzeugte und deren Reflexionen an den verschiedenen Gesteinsschichten erfasste. Auf der Basis dieser Daten können Aussagen über Tiefenlage, Abfolge und Ausdehnung der Gesteinsschichten und das Auftreten von Störungssystemen im Gestein gemacht werden. Von besonderer Bedeutung für unser Projekt sind Profile der RWE-Dea, die im Pullacher Raum westlich und östlich der Isar verlaufen. Durch deren Auswertung konnten vor allem für die Tiefenbereiche ab 2.500 m unter Geländeoberkante (GOK) mit der Bestimmung der Oberkante des Malm-Tiefengrundwasserleiters qualifizierte Aussagen erreicht werden: Diese ist bei einer Tiefe von 2.860 m unter GOK anzusetzen.
