Umweltverträgliche Nutzung geothermischer Speicher

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. Bei einer wasserwirtschaftlichen und geothermischen Nutzung oberflächennaher und tiefer Grundwasserleiter ist eine nachhaltige, vorausschauende und vorsorgende Planung erforderlich, um Konflikte zwischen den unterschiedlichen Nutzungen 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:

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 oberflächennahe und mitteltiefe 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. 

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.

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 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 und auf einen möglichen mikrobiologischen Schadstoffabbau aus. Die thermische Beeinflussung (Wärmeentzug, Wärmeeinleitung) im Untergrund durch geothermische Speicher und Anlagen werden analysiert und ihre Auswirkungen auf hydrochemische Prozesse untersucht und bewertet.