Mehr als die Hälfte des deutschen Energiebedarfs wird für die Erzeugung von Wärme gebraucht, entweder fürs Heizen von Gebäuden oder als Prozesswärme für die Industrie. Bislang wird ein Großteil dieser Wärme durch fossile Energieträger erzeugt, also durch Kohle, Öl und Gas. Will Deutschland bis 2045 klimaneutral werden, muss sich das ändern. Deshalb sind Heizmethoden gefragt, die keine CO2-Emissionen erzeugen.

Eine Option ist die Geothermie, die Nutzung der Erdwärme, die das heiße Innere unseres Planeten zur Verfügung stellt. Geothermie gilt als Schlüssel zur Energiewende: Sie ist nachhaltig, zuverlässig und rund um die Uhr verfügbar. Bislang bremsen allerdings hohe Bohrkosten den Fortschritt.

Bei der Geothermie wird warmes Wasser aus tiefen Erdschichten gefördert. Dabei werden keine fossilen Brennstoffe verbrannt, es muss nichts importiert werden und zudem läuft Geothermie im Gegensatz zu Solarmodulen und Windturbinen rund um die Uhr.

Unterschieden wird zwischen zwei Varianten der Geothermie: Bei der oberflächennahen Geothermie gehen die Bohrungen typischerweise 100 Meter tief, dort ist das Wasser circa 12 Grad warm und kann oben dann eine Wärmepumpe betreiben. Diese Technik ist bereits recht verbreitet: In Deutschland gibt es rund eine halbe Million solcher Anlagen.

Das andere Verfahren ist die Tiefengeothermie, diese beginnt bei 400 Metern. Die Bohrungen reichen bis zu 5.000 Meter tief, dort ist das Wasser unabhängig von der Jahreszeit bis zu 180 Grad heiß. Dieses Wasser lässt sich hochpumpen und für Fernwärmenetze oder als Prozesswärme für die Industrie nutzen.

Bislang gibt es gerade mal 42 Tiefengeothermie-Anlagen in Deutschland. Zusammen leisten sie 360 Megawatt, das entspricht einem einzigen größeren Kohleheizkraftwerk. Laut dem Bundesverband Geothermie befinden sich darüber hinaus 16 weitere im Bau, 155 in der Planung, zudem gibt es acht Forschungsanlagen.

Im November 2022 hatte die Ampel-Regierung angekündigt, bis 2030 mindestens 100 zusätzliche Projekte anstoßen und an Wärmenetze anschließen zu wollen. Allerdings dauert der Bau der Anlagen lange, von der Planung bis zur Inbetriebnahme muss man mit sechs bis sieben Jahren rechnen.

Die bestehenden 42 Tiefengeothermie-Anlagen sind nicht gleichmäßig über Deutschland verteilt, denn nicht überall gibt es geeignete unterirdische Heißwasser-Reservoirs. Viele Anlagen befinden sich rund um München. Laut dem Bundesverband Geothermie sind außerdem das Norddeutsche Becken und der Oberrheingraben als geeignete Lagerstätten bekannt. Weitere Gebiete wie die Rhein-Ruhr-Region würden aktuell erkundet.

Obwohl die Hotspots regional sind, ist das Potenzial von Tiefengeothermie gewaltig: Laut einem Strategiepapier, das die Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam mit Zentren der Helmholtz-Gemeinschaft im Jahr 2022 erstellt hat, könnte die Geothermie theoretisch ein Viertel des deutschen Wärmebedarfs decken. Und: Falls die Temperaturen im Untergrund hoch genug sind, lässt sich mit Geothermie sogar Strom erzeugen.

Dem Ausbau der Geothermie stehen einige Hindernisse im Weg. Erkundungsbohrungen sind aufwendig, die Kosten liegen bei mehreren Millionen Euro, und das Risiko von Fehlbohrungen ist groß. Um die Risiken zu mindern, könnten staatliche Förderprogramme und Versicherungen helfen, sagt Helge-Uve Braun, technischer Leiter der Stadtwerke München und ehemaliger Präsident des Bundesverbands Geothermie.

Eine weitere Herausforderung: Die Anforderungen an Materialien, IT und ingenieurtechnisches Know-how sind enorm. Zum Beispiel braucht es Hochleistungscomputer, die auch „bei Backofentemperaturen“ funktionieren, sagt Bohringenieur Matthias Reich von der TU Freiberg. „Da sind wir schon in einem Bereich, der vergleichbar ist mit der Weltraumtechnik, also Hightech unter extremsten Bedingungen.“

Dazu kommt: Wer tiefer bohrt, trifft in der Regel auf härtere Gesteine. Das bedeutet mehr Verschleiß und einen langsameren Bohrfortschritt, erklärt Volker Wittig vom Fraunhofer Institut für Energieinfrastrukturen und Geothermie.

Gerade werden neue Bohrverfahren erforscht und entwickelt. Zum Beispiel das Elektroimpulsbohren: Dabei werden mithilfe von elektrischer Hochspannung Schockwellen erzeugt, die das Gestein mechanisch zerstören. Beim Plasmabohren, zerstäubt, schmilzt oder verdampft ein Plasmabrenner das Gestein bei bis zu 10.000 Grad auf einer breiteren Fläche. Oder das Laserbohren, bei dem ein konzentrierter Laserstrahl das Gestein schmilzt oder verdampft.

Um den Bohrprozess zu optimieren, Kosten und Risiken zu verringern oder Probleme frühzeitig zu erkennen, könnten zudem KI-gestützte Systeme die großen Datenmengen der Sensoren und Messsysteme erfassen und analysieren. Simulationsrechnungen sollen zudem dabei helfen, vor dem Bohren den Bohrpfad zu optimieren oder das Gesteinsverhalten vorherzusagen.

Allerdings zeige sich dabei auch ein kommerzielles Problem, gibt Bohringenieur John McLennan von der University of Utah zu bedenken: Bis ein Markt für beispielsweise Elektronik für höhere Temperaturen und widerstandfähigere Bohrköpfe tatsächlich nachgewiesen sei, verhielten sich Verkäufer für solche Ausrüstung zögerlich. Hilfreich könnte sein, dass sich inzwischen auch Tech-Giganten wie Meta oder Google für Geothermie interessieren.

Allerdings birgt die Geothermie auch einige Risiken und Nebenwirkungen. So muss darauf geachtet werden, keine Trinkwasser-Reservoirs zu beeinträchtigen. Außerdem machen die Bohrungen Lärm und könnten Anwohner stören. Und: Es gab Fälle, wo Geothermie-Anlagen kleine Erdbeben ausgelöst haben.

Doch diese Risiken und Nebenwirkungen scheinen laut der Studie von Fraunhofer-Gesellschaft und Helmholtz-Gemeinschaft beherrschbar: Bei Erdbeben können Sensoren rechtzeitig warnen, dann würde die Förderung des Wassers gedrosselt, was die Bebengefahr verringert. Und die Bohranlagen sollten sich zumindest so gut schalldämmen lassen, dass sie die Anwohner nicht allzu stark belästigen.