Geothermische Energie im Kanton Zürich - Potenziale und Technologien zur Nutzung von Erdwärme
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Geothermische Energie
im Kanton Zürich
Potenziale und Technologien zur Nutzung von Erdwärme
1Energie aus der Erde
Die in der Erdkruste gespeicherte Das immense Potenzial der Geo-
Wärme wird als geothermische Ener- thermie lässt sich an einem Vergleich
gie bezeichnet. Die wirtschaftliche illustrieren: Durch die Abkühlung von
Nutzung dieser Energie ist sehr stark einem Kubikkilometer heissen Gesteins in
von der Temperatur und damit von mehreren Kilometern Tiefe um 20 Grad
der Tiefe der erschlossenen Erd- ergibt sich theoretisch genug Wärme, um
schichten abhängig. während 20 Jahren Elektrizität mit einer
Geothermische Energie eignet sich Leistung von 10 Megawatt zu erzeugen.
zur Nutzung mittels Wärmepumpen, Dies entspricht in etwa dem Verbrauch
bei höheren Temperaturen auch zur einer Stadt mit 25 000 Einwohnern.
direkten Wärmenutzung. Bei Tem-
peraturen über 100 °C ist die Strom- 70 Prozent des heutigen Energie-
produktion eine interessante Option. bedarfs im Kanton Zürich könnten mit
Heute werden nur sehr geringe An- erneuerbaren Energien gedeckt werden,
teile des riesigen Potenzials ausge- wobei der Deckungsgrad bei der Wärme
schöpft – sowohl weltweit als auch deutlich höher als beim Strom ist. Hinzu
hierzulande. kommt, dass bei der Stromerzeugung
Abwärme anfällt, deren Nutzung ein
99 Prozent unseres Planeten sind sehr aufwändiges, häufig nicht wirtschaft-
heiss: Nur die obersten drei Kilometer liches Verteilnetz bedingt. Die Zahlen aus
sind, mit Ausnahmen, weniger als 100 °C der AWEL-Potenzialstudie «Das Ange-
warm. In fünf bis zehn Metern Tiefe ent- bot erneuerbarer Energien im Kanton
spricht die Temperatur des Untergrundes Zürich» (Juni 2006) zeigen die eminente
ungefähr der mittleren Aussentemperatur Bedeutung, die den erneuerbaren Ener-
des Standortes (über das ganze Jahre ge- gien – und unter diesen der Erdwärme
rechnet); in weiten Gebieten des Kantons – zukommt. Im Gegensatz zu anderen
Zürich sind das 8 °C bis 10 °C. erneuerbaren Energiequellen ist die
Abbildung 1: Erd- Abgesehen von geothermischen Anoma- Nutzung von Geothermie weder von der
schichten, Tempera- lien – wie sie in vulkanischen Gebieten Tages- noch von der Jahreszeit abhängig.
turen und geeignete vorkommen – beträgt die Temperatur in Das in der Regel kontinuierliche Angebot
Technologien zur einer Tiefe von einem Kilometer etwa rechtfertigt entsprechende Investitionen
Nutzung von Erd- 35 °C bis 40 °C, in fünf Kilometern Tiefe in Förderanlagen. Der Betrieb der Anla-
wärme. zwischen 150 °C und 200 °C. gen ist zudem weitgehend CO2-frei.
(Quelle: CREGE)
'RUNDWASSER %RDWËRME 7ËRME AUS TIEFEM 7ËRME UND 3TROM AUS
WËRMENUTZUNG SONDE 'RUNDWASSER SEHR TIEFER 'EOTHERMIE
,OCKERGESTEIN àBER
3EDIMENTSCHICHTEN
+RISTALLINES
'RUNDGEBIRGE
2Heutige Nutzung
Die Nutzung geothermischer Energie Im Kanton Zürich werden jährlich
ist von der Temperatur des Vorkommens rund 180 Mio. kWh geothermische
abhängig. Oberflächennahe Erdwärme Energie genutzt, 96 Prozent davon über
lässt sich für Raumheizung und Wasserer- die rund 9000 Erdwärmesondenanlagen.
wärmung nur mit einer Wärmepumpe 10 Mio. kWh werden mittels anderer
nutzen. Mit zunehmender Tiefe steigt Systeme gewonnen, beispielsweise über
die Temperatur der Erdschichten an, Energie-Pfähle wie im Flughafen Zürich-
sodass ab einer Tiefe von etwa 1000 m Kloten. Die Anlage liefert jährlich 2 Mio.
eine Direktnutzung von Wärme sinnvoll kWh Wärme und 1 Mio. kWh Kälte.
ist. Die Kühlung von Gebäuden dagegen Die beiden Geothermie-Bohrungen im
ist zumeist ohne Kältemaschine mög- Krankenheim Bächli in Bassersdorf und in
lich – auch mit untiefer Erdwärme. Für der Siedlung Hohstrasse in Kloten liefern
die Stromerzeugung mit Dampfturbinen zusammen rund 1,5 Mio. kWh Heizener-
sind in der Regel Temperaturen von über gie. Etwa 5 Mio. kWh Heizenergie stam-
100 °C notwendig. Die dafür geeigneten men von den kantonsweit rund 140
Erdschichten liegen drei bis fünf Kilome- Grundwasser-Wärmepumpen. Die geo-
ter unter der Erdoberfläche. thermische Energiegewinnung wird sich
in den nächsten Jahren weiter erhöhen,
In der Schweiz werden heute jährlich weil mehrere grosse Anlagen in Pla-
1,6 Mia. kWh geothermische Wärme nung oder im Bau sind. Der Beitrag der
genutzt, was einer Steigerung von 45 Geothermie bleibt aber insgesamt noch
Prozent gegenüber dem Jahr 2000 ent- bescheiden. Vom gesamten Wärmebe-
spricht. Die Förderung erfolgt fast aus- darf für Raumheizung und für Prozesse
schliesslich durch Erdwärmesonden, die im Kanton Zürich wird bislang lediglich
Wärmepumpen versorgen. Ausnahmen 1 Prozent durch geothermische Energie
bilden unter anderen die Anlage im gedeckt.
basellandschaftlichen Riehen – sie nutzt
tiefe Erdwärme – sowie Einrichtungen zur
Im Jahre 2004 waren in 25 Ländern
Gewinnung von warmem Tunnelwasser.
geothermische Stromerzeugungs-
Die in der Schweiz genutzte Erdwärme
anlagen mit einer gesamten Lei-
substituiert jährlich 135 000 Tonnen Heiz-
stung von 8,9 Gigawatt und einem
öl und mindert dadurch den CO2-Aus-
Ertrag von 57 Mia. kWh in Betrieb
stoss um 430 000 Tonnen. – 12 Prozent mehr als zehn Jahre
zuvor. Die weltweite Stromproduk-
Abbildung 2: Sche-
tion entspricht in etwa dem Bedarf
matisches geolo-
der Schweiz.
gisches Profil durch
das Zürcher Mittel-
land. (Quelle: Dr. H.
Jäckli AG, Zürich)
.ORDEN 3àDEN
"OHRUNG
"OHRUNG "OHRUNG 4IEFEN 3TÚCKLI
"ENKEN 7EIACH ,ËGERN &URTTAL ,IMMATTAL :àRICH BRUNNEN 0FANNENSTIEL 5FENAU 0FËFFIKON CHRàTZ
/BERE 3àSSWASSERMOLASSE
/BERE -EERESMOLASSE
5NTERE 3àSSWASSERMOLASSE
-ALM
-USCHELKALK
+RISTALLINES 'RUNDGEBIRGE
0ERMOKARBONTROG
3Das geothermische Potenzial im
Kanton Zürich
1 Mia. kWh = 1000 Gigawatt- Gespeicherte Nutzbarer Anteil am Nutzbare Anteil am
stunden = 1 Terawattstunde Wärme Wärme- Wärme- Elektrizität ** Elektrizitäts-
Gerundete Zahlen Mia. kWh anteil * bedarf von Mia. kWh bedarf von
Mia. kWh 20 Mia. kWh pro Jahr 8,2 Mia. kWh
pro Jahr
Oberflächennahe Geothermie 230 2,4 12 %
in Bauzonen
(Gewinnungsfaktor 1,07 %)
Obere Meeresmolasse (0,17 %) 3700 6,3 31 %
Tabelle 1: Potenzial
der geothermischen
Oberer Muschelkalk (0,11 %) 6500 7,3 36 % 0,4 5%
Energie im Kan-
ton Zürich. Heute
Zerklüftetes Kristallin (0,06%) 73 000 42,5 213 % 2,8 34 %
beträgt im Kanton
Zürich der Wärme-
Summe der Potenziale (0,06%) 83 430 58,5 292 % 3,2 39 %
bedarf 20 Mia. kWh
und der Strombe-
* Potenzial mit heutiger Technologie
darf 8,2 Mia. kWh ** Elektrischer Wirkungsgrad 10 % für Temperaturen über 100 °C. Stromproduktion reduziert mögliche Wärmenutzung.
pro Jahr.
Der Untergrund des nördlichen Teils
Schicht Mächtigkeit Tiefe unter Tag
des Kantons Zürich ist durch Untersu-
Obere Meeres- von 50 bis 700 m von 200 bis 1000 m chungen der Nagra und anderer Institu-
molasse tionen relativ gut bekannt. Im südlichen
Oberer Muschel- 70 m (Mittelwert) von 500 bis 4500 m Teil dagegen fehlen entsprechende geo-
Tabelle 2: Mächtig- kalk logische Informationen weitgehend.
keit und Tiefe der Der Kanton Zürich gehört in grossen
Zerklüftetes 500 m (Mittelwert) von 800 bis 4700 m
hydrothermal rele- Teilen zum schweizerischen Mittelland.
Kristallin
vanten Erdschichten Dessen unmittelbarer Felsuntergrund
4IEFE IN M 4EMPERATUR IN ª# besteht überwiegend aus Gesteinen
der Molasse. Unter weiteren Sediment-
gesteinsschichten liegt schliesslich das
/BERER -ALM /BERER -ALM
kristalline Grundgebirge aus Gneisen und
/BERE -EERES 4EMPERATUR
MOLASSE VERLAUF
Graniten, das generell von Norden nach
Abbildung 3: Tem- Süden abfällt (Abbildung 2).
peraturprofil von
/BERER -USCHELKALK Die Tiefe der Bohrung richtet sich nach
+RISTALLIN
Bohrungen an drei 4EMPERATUR der Lage und der Mächtigkeit der zu
VERLAUF erschliessenden Erdschicht. Grundsätzlich
Standorten im Kan-
ton Zürich. Die un- nimmt die Eignung zur Geothermienut-
terschiedliche Lage zung mit wachsender Tiefe signifikant
der bezeichneten zu. Entsprechend beträgt in der Oberen
Schichten illustriert +RISTALLIN Meeresmolasse die prognostizierte mitt-
die ausgeprägte lere Anlagenleistung 5 MW, im Oberen
Komplexität des Muschelkalk 10 MW und im zerklüfteten
4IEFENBRUNNEN "ENKEN 7EIACH
Untergrundes. Kristallin 50 MW.
4Der nutzbare Anteil der im erschliess-
Der Gewinnungsfaktor quantifiziert baren Untergrund gespeicherten Wär-
das Verhältnis von gespeicherter me beträgt 58,5 Mia. kWh pro Jahr
Wärme und dem davon nutzbaren – rund dreimal mehr als der gesamte
Anteil. Mit einem mittleren Ge- Wärmebedarf des Kantons Zürich. Das
winnungsfaktor von 0,06 ist diese Potenzial an Elektrizität aus geother-
Ausnutzungsquote sehr vorsichtig mischer Energie beträgt – auf den Kan-
geschätzt: Die Prognose der jähr- ton Zürich bezogen – 3,2 Mia. kWh pro
lich nutzbaren Wärme ist um den Jahr (ca. 40 % des Bedarfs). Die Poten-
Faktor 1700 kleiner als die in den zialabschätzung basiert auf einer nach-
relevanten Schichten eingelagerte haltigen Nutzung der geothermischen
Energie. Diese Schätzung basiert Vorkommen, auf der vorhandenen
auf wissenschaftlichen Untersu- Abnehmer-Infrastruktur sowie auf heute
chungen. verfügbaren Technologien. Nicht berück-
sichtigt sind die Kosten (Seite 7).
Untiefe Geothermie Tiefe Geothermie am Beispiel von
Abbildung 4 zeigt die Eignung von zerklüftetem Kristallin
Standorten in Bauzonen für die Nutzung Die Abbildung 5 enthält regionale Prog-
von untiefer Erdwärme mittels Erdson- nosen für die geothermische Nutzung
den- oder Grundwasser-Wärmepumpen. im zerklüfteten Oberen Kristallin anhand
Ein Mass für die Eignung bildet die ther- der thermischen Entnahmeleistung einer
mische Entnahmeleistung einer Erdson- Bohrung (in Megawatt).
de von 150 m Länge (in Kilowatt). Der
Bedarf einer durchschnittlichen Wohnung
beträgt ca. 5 kW.
4HERMISCHE %NTNAHMELEISTUNG 4HERMISCHE %NTNAHMELEISTUNG
-7 K7
K7
-7
K7
-7
K7
-7
K7
-7
K7
-7
3CHOTTER 'RUNDWASSER
,EISTUNG IM -7
%INZELFALL PRàFEN
-7
KM
Abbildung 4 Abbildung 5
5Technik und Wirtschaftlichkeit
Zur Gewinnung von tiefer Erdwärme beziehungsweise in der Stromerzeugung.
sind drei Technologien verfügbar: Die dabei anfallende Abwärme lässt sich
Hydrothermale Systeme, petrothermale sowohl in der Raumheizung als auch
Systeme und tiefe Erdwärmesonden. in der Wassererwärmung verwerten.
Mit hydrothermalen Systemen werden Niederwertige Wärme auf tiefem Tem-
natürliche Thermalwasservorkommen, peraturniveau kann als Wärmequelle für
sogenannte Heisswasser-Aquifere, ge- Wärmepumpen oder zur Vorwärmung
nutzt. Petrothermale Systeme liefern dienen.
Wärme aus ursprünglich wasserfreien
Gesteinsformationen, indem Wasser Die Wirtschaftlichkeit von Anlagen
mit hohem Druck in den Fels gepresst zur Nutzung von Geothermie sind im
wird. Dadurch bilden sich im Gestein wesentlichen von vier Faktoren abhängig:
Fliesswege, die sich zu einem Kreislauf ❚ Temperatur und Ergiebigkeit des geo-
verbinden lassen: Das in der Tiefe erhitzte thermischen Vorkommens
Wasser steigt auf, gibt an der Erdoberflä- ❚ Tiefe der Bohrung (Bohrkosten und
che Wärme ab und fliesst in die gleiche Förderenergie für den Kreislauf)
Gesteinsformation zurück. Diese petro- ❚ Verwertbarkeit der anfallenden Abwär-
thermalen Systemen sind als Enhanced me (Nah- oder Fernwärmenetz)
Geothermal Systems (EHS) oder Hot Dry ❚ Einspeisevergütung bei Abgabe ins
Rock (HDR) bekannt. Im Gegensatz zu öffentliche Netz der Elektrizitätswerke.
den hydro- und petrothermalen Syste-
men bilden die – allerdings nur vereinzelt Die hydrogeologische Eignung und
eingesetzten – tiefen Erdwärmesonden damit die Ergiebigkeit eines geother-
einen geschlossenen Kreislauf, in dem ein mischen Vorkommens ist umso besser,
Medium für den Wärmetransport in koa- je grösser die Wasserdurchlässigkeit und
xialen Rohren in das Erdreich und wieder je mächtiger die erschlossene Gesteins-
zurückfliesst. Diese Technik ist für grosse schicht ist. Die Wirtschaftlichkeit hängt
Tiefen nicht wirtschaftlich. zudem stark von der notwendigen Bohr-
tiefe ab (Abbildung 7). Da die hydroge-
Erdwärme mit hohen Temperaturen ologischen Parameter naturgemäss stark
eignet sich für eine mehrstufige Verwen- schwanken, sind Geothermie-Bohrungen
Abbildung 6: Typo- dung (Kaskaden-Prinzip). Im Vordergrund mit einem entsprechenden Risiko behaf-
logie der Nutzungs- steht der Einsatz als Prozesswärme tet. Dieses erhöht sich mit der Unsicher-
technologien
Oberflächennahe Geothermie (8 °C bis 25 °C) Tiefe Geothermie (20 °C bis 200 °C)
Erdregister Grundwasser-
Hydrothermale Systeme Petrothermale
Energiekörbe Erdwärmesonden brunnen mit
(auch Thermalwassergewinnung) Systeme
Energiepfähle Wasserrückgabe
bis einige 50 m bis 400 m in der Regel bis bis über 5000 m
einige 100 m bis über 5000 m tief
10 m tief tief einige 10 m tief tief
geschlossene Systeme offene Systeme
Nutzung von Wärme mit Wärmepumpen Stromerzeugung mit Binärkreislauf über 80 °C
hydrothermale Stromerzeugung über 100 °C
Direkte Nutzung von Wärme über 40 °C (ab 1000 m)
Direkte Nutzung von Erdreich zur Kühlung
6heit der Prognosen. Je nach Eignung des 4IEFE ;M=
Vorkommens ergeben sich spezifische
Stromkosten, die bis zu einem Faktor
50 differieren. Die Nutzung von ober- /BERER -USCHELKALK
/BERE -EERESMOLASSE
flächennaher Erdwärme mittels Erdson- :ERKLàFTETES +RISTALLIN
den und Wärmepumpen dagegen birgt 3TROMKOSTEN IN 2P PRO K7H
kaum wirtschaftliche oder ökologische
Risiken. Sowohl die Investitions- und die
Betriebskosten als auch die umweltrele-
vanten Wirkungen lassen sich aufgrund
der grossen Erfahrung mit dieser Technik
relativ präzis quantifizieren.
Betreiber von Anlagen zur Gewinnung
erneuerbarer Elektrizität profitieren künf-
3CHLECHT (YDROGEOLOGISCHE %IGNUNG 'UT
tig von einer kostendeckenden Einspeise-
vergütung. Abbildung 7: Strom-
kosten in Rp. pro
Ökologie ken, beispielsweise für Erschütterungen kWh in Abhängig-
Ökobilanzen von Systemen zur Energie- oder kleine Erdbeben. Diese Risiken keit der hydrogeo-
gewinnung basieren auf der Summe der lassen sich indessen durch den sorgfäl- logischen Eignung
umweltrelevanten Wirkungen über deren tigen Einsatz von Stimulationstechniken und der Tiefe der
gesamte Lebensdauer, eingeschlossen die beschränken. genutzten Gesteins-
Beschaffung der Rohstoffe, die Erstellung schichten. Annah-
der Komponenten, der Aufwand für den Um die Klimaziele des Kantons Zürich, me: Bohrkosten
Betrieb sowie den vollständigen Rückbau wie sie in der Vision 2050 des AWEL 3500 Fr. pro Meter.
und die Entsorgung der Anlage. Typische (Dezember 2007) dokumentiert sind, zu
Wirkungsindikatoren für die Bewertung erreichen, ist ein verstärkter Einsatz er-
sind der Verbrauch an nicht erneuerbaren neuerbarer Energien notwendig. Entspre-
Energien, der Ausstoss an Treibhausgasen chend dem Angebot an erneuerbaren
(CO2-Äquivalente) und an Schadstoffen Energieträgern kommt der Geothermie-
sowie die Ozonbildung. Rund 90 Prozent Nutzung eine grosse Bedeutung zu, denn
des Energieverbrauchs sowie der luftge- die Nutzung von Erdwärme ist zu grossen
tragenen Emissionen entfallen bei einer Teilen CO2-neutral, ganz im Gegensatz
geothermischen Stromerzeugung auf die zu Energieanwendungen, die auf fossilen
Erschliessung des Vorkommens. Lediglich Energieträgern basieren. Dieses Argument
10 Prozent beträgt der Anteil für den bekommt noch mehr Gewicht, wenn bei
Betrieb. der geothermischen Stromerzeugung die
anfallende Abwärme genutzt wird. Fazit:
Die Injektion von Wasser unter hohem Geothermie bildet in Zukunft ein unver-
Druck in tiefliegenden Gesteinsschichten zichtbares Element einer nachhaltigen
bei petrothermalen Systemen birgt Risi- Energieversorgung im Kanton Zürich.
Editorische Notiz ❚ Herausgeber: Baudirektion Kanton Zürich,
❚ Quelle: Machbarkeitsstudie des AWEL «Geo- AWEL Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft,
thermische Energie im Kanton Zürich – Grundla- Januar 2008.
gen und Potenziale» (Oktober 2007). Verfasser: ❚ Download dieser Broschüre:
Geowatt AG, Zürich. Titelbild: DHM, Basel. www.energie.zh.ch, www.grundwasser.zh.ch
7Der Kanton Zürich liegt auf einem riesigen Wärmereservoir. Mit zu- nehmender Tiefe steigt die Tempe- ratur der Erdschichten – etwa 3 bis 4 Grad je 100 Meter. Oberflächen- nahe Schichten eignen sich für die Nutzung von Wärme für Hei- zung und Wassererwärmung mit- tels Wärmepumpen, Erdschichten unterhalb von 1000 Metern Tiefe erlauben eine direkte Wärmenut- zung. Um heute wirtschaftlich Strom zu produzieren, sind Tempe- raturen von über 100 °C notwen- dig, was Bohrungen von mehre- ren Kilometern Tiefe bedingt. Das Potenzial an Wärme aus der Erde beträgt im Kanton Zürich fast 60 Mia. kWh pro Jahr – dreimal mehr als der gesamte heutige Wärme- bedarf des Kantons. Das Potenzial zur Stromerzeugung wird auf 3,2 Mia. kWh pro Jahr geschätzt, rund 40 Prozent des heutigen Elektrizi- tätsbedarfs.
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