Erdwärme: Erschüttertes Vertrauen

Die Theorie ist bestechend. Energie ohne Ausstoß von Kohlendioxid, rund um die Uhr, unabhängig von Wind und Sonnenschein. Doch der Ruf der Stromgewinnung aus Erdwärme ist erschüttert. Denn immer wieder kommt es vor, dass unter den geothermischen Kraftwerken die Erde bebt. Vor knapp drei Jahren rumorte es in Basel mit einer Stärke von bis zu 3,4. Im August und September wackelte die Erde im pfälzischen Landau, vermutlich steckte auch dort der Betrieb eines Erdwärmekraftwerks dahinter.

Es klingt paradox – in vielen Fällen legen es die Geoingenieure regelrecht darauf an, Erdbeben auszulösen. Denn nur so können sie die Hitze des Untergrunds richtig nutzen. Um die Wärme aus dem Boden zu holen, pressen sie Wasser bis in vier, fünf Kilometer Tiefe, damit es sich dort auf weit über 100 Grad Celsius erhitzt, und pumpen es über eine zweite Bohrung wieder an die Oberfläche. Je mehr Wasser durch den Untergrund strömen kann, desto besser. Doch oft gibt es im Gestein nur wenige Spalten und der erwünschte Flüssigkeitskreislauf gleicht einem Rinnsal. Mit Hilfe von Erdbeben können die vorhandenen Spalten erweitert werden, der Fels wird durchlässiger.

Bei dem „Hot-Dry-Rock“-Verfahren wird dazu massenhaft Wasser in die Tiefe gepumpt. Die Flüssigkeit ändert das Volumen und somit die Spannung im Fels – bis das Gestein zerreißt und größere Spalten entstehen. Das zigfache Aufbrechen der Gesteine ruft unzählige Erdbeben hervor, die aber gewöhnlich so schwach sind, dass Menschen sie nicht bemerken, nur sensible Messgeräte.

Anfangs war das auch in Basel so. Als die Techniker immer mehr Wasser nach unten schickten, waren die Erschütterungen plötzlich sehr deutlich zu spüren. Schäden in Höhe von gut fünf Millionen Euro wurden gemeldet. Die Forderungen waren nicht immer gerechtfertigt, sagen Insider. Doch die Verantwortlichen wollten die Debatte nicht noch weiter anheizen und ihre Versicherung zahlte.

Warum es zu den unerwartet heftigen Erschütterungen kam, habe man immer noch nicht genau verstanden, sagt Nicholas Deichmann vom Schweizerischen Erdbebendienst in Zürich. Er und seine Kollegen haben den Fall eingehend untersucht und ihre Ergebnisse im Fachblatt „Eos“ veröffentlicht (Band 90, Seite 273). Tatsache ist, dass die Erdkruste unter Basel auch ohne menschliches Zutun mächtig unter Spannung steht. Die Alpen drängen nordwärts und die Ausläufer des Oberrheingrabens zerren den Fels nach Osten und Westen hin auseinander. „Die natürliche Vorspannung ist aber eine Grundvoraussetzung für das Hot-Dry-Rock-Verfahren“, sagt der Seismologe Deichmann. „Andernfalls würden die Wasserinjektionen das Gestein nicht brechen können.“

Wie der Fels genau auf die Flüssigkeitsspritze reagiert, lasse sich schwer vorhersagen. „Man kann an der Verformung des Bohrlochs zwar erkennen, in welchen Richtungen das Gestein gedrückt oder gezogen wird“, erläutert er. Der genaue Betrag, den man für die Berechnungen der Bruchmechanik braucht, lasse sich aber kaum abschätzen. „Vermutlich spielen Temperatur und Festigkeit der jeweiligen Gesteinsarten ebenfalls eine Rolle“, sagt Deichmann.

Das Baseler Geothermievorhaben ruht derzeit, Ende des Jahres wollen die Behörden entscheiden, ob es weitergeht. Doch auch andernorts stehen die Bohrtrupps bereit, um die klimafreundliche Energiequelle anzuzapfen. Das Problem: Das Wasser wird nicht nur als „Sprengmittel“ für neue Spalten gebraucht. Damit diese dauerhaft offen bleiben, muss die Wasserzirkulation immer mit einem gewissen Überdruck betrieben werden, was weitere Erschütterungen hervorrufen kann.

Die Wissenschaftler vom Schweizerischen Erdbebendienst haben ein Verfahren entwickelt, mit dem das Risiko von starken Beben zumindest etwas gemindert werden könnte. Mit Hilfe von Seismografen werden dabei die zahlreichen Mikrobeben, die während des Einpressens von Wasser entstehen, in Echtzeit überwacht. Ein Computerprogramm berechnet anhand von Menge, Stärke und Entstehungsort der Minibeben, wie groß die Wahrscheinlichkeit für starke Erdstöße ist. „Das Modell geht davon aus, dass jedes Beben ein Haupt- und mehrere Nachbeben hat, die die verbleibende Spannung abbauen“, erläutert Deichmann. Das Programm soll die statistischen Erfahrungen der Gegenwart in die Zukunft projizieren. Wenn die Bebenstärke und -häufigkeit ein gewisses Maß überschreitet, soll die Pumprate zurückgefahren werden, um dem Untergrund Gelegenheit zu geben, seine Spannungen auszugleichen.

Doch selbst wenn der Computer rechtzeitig auf die Bremse drückt, ist die Gefahr nicht gebannt. Nachdem in Basel die Erde wackelte, wurden umgehend die Pumpen abgeschaltet und das Bohrloch geöffnet, um den Wasserdruck entweichen zu lassen. Trotzdem kam es in den folgenden zwei Monaten immer wieder zu kleineren Erdbeben, drei davon hatten eine Stärke von 3,0 und mehr. Selbst zwei Jahre später ist der Untergrund noch nicht völlig zur Ruhe gekommen, zeigen die Sensoren. Auch andernorts wurden nach dem Abstellen der Pumpen relativ starke Erdstöße registriert, berichtet Deichmann. „Das passt nicht ins Bild der Seismologie“, gibt er zu. Wenn der Wasserdruck fehlt, sollten die Erschütterungen aufhören. „Möglicherweise liegt das an chemischen Prozessen, bei denen das Wasser das Gestein langfristig verändert und so dessen Festigkeit verringert wird.“ Sobald der Fels schwächer ist als die nach wie vor existierende natürliche Spannung, bricht er – die Seismografen zucken.

Tiefengeothermie kann auch ruhiger laufen, wenn die natürlichen Voraussetzungen besser sind. Zum Beispiel bei der Versuchsanlage des Potsdamer Geoforschungszentrums (GFZ), die in Groß Schönebeck bei Berlin steht. „Wir haben doppelt so viel Wasser pro Zeiteinheit nach unten gepumpt wie die Kollegen in Basel“, berichtet der Projektleiter Ernst Huenges. „Aber wir haben höchstens Erschütterungen der Stärke -1 gehabt, das ist weniger als ein Zehntausendstel der Basel-Beben.“ Dafür gebe es zwei Gründe, erläutert der Wissenschaftler. Einerseits sei die natürliche Spannung in den Gesteinen des norddeutschen Untergrunds viel geringer, und die erzeugten Gesteinsbrüche prinzipiell kleiner. Zum Zweiten haben die Potsdamer in einen porösen Sandstein gebohrt und nicht einen dichten Granit, wie in Basel. „Der Sandstein ist flexibler“, sagt Huenges. „Wenn es ein Beben gibt, kann er die freigesetzte Energie besser aufnehmen.“ Weil der Sandstein löchrig ist wie ein Schwamm, kann er sowieso mehr Wasser hindurchlassen, das künstliche Aufbrechen des Gesteins ist nur in geringem Umfang nötig.

Aber nicht überall bietet der Untergrund so günstige Voraussetzungen. „An bestimmten Orten sollte man besser keine Geothermieprojekte starten, die mit einem künstlichen Aufbrechen des Gesteins verbunden sind“, sagt der GFZ-Wissenschaftler. Dazu gehören jene Gebiete, die unter großer natürlicher Spannung stehen, wie etwa um Istanbul. In jenen Regionen, die irgendwo zwischen „sehr sicher“ und „ziemlich gefährdet“ liegen, müsse man sich schrittweise rantasten, sagt er.

Prinzipiell hält der Geoforscher das Verfahren aber für beherrschbar. „Man kann genau berechnen, welche maximale Erdbebensträke mit einer begrenzten Wassermenge in seismisch ruhigen Zonen ausgelöst werden kann.“ Das ist aber nur eine Seite. Gerade in Gebieten, die ohnehin kräftig unter Spannung stehen, können kleine künstliche Beben in direkter Nachbarschaft weitaus stärkere Erdstöße auslösen, die von Natur aus irgendwann in den nächsten Jahrzehnten ohnehin eingetroffen wären. „Triggern“, nennen die Forscher diese Kettenreaktion. „Das können wir nicht vorherbestimmen“, gibt Huenges zu bedenken.

Welche Macht getriggerte Erdbeben haben, zeigte sich im Mai 2008 in der chinesischen Provinz Sichuan. Wahrscheinlich durch den raschen Massenzuwachs in einem gefluteten Staubecken änderten sich die Spannungsverhältnisse im Untergrund. Mehrere Erdstöße mit einer Stärke von bis zu 7,9 waren die Folge. Mindestens 60 000 Menschen starben.

„Dass das Beben durch menschliche Aktivitäten ausgelöst wurde, ist noch nicht offiziell anerkannt“, sagt der Seismologe Christian Klose von der Columbia-Universität in New York. Die Datenlage sei aber sehr deutlich. Die will der Experte für menschgemachte Beben bald in einer Fachzeitschrift veröffentlichen. Der Artikel ist derzeit im Review-Verfahren.

Es müssen aber nicht mal getriggerte Erdbeben sein, um eine Technik in Misskredit zu bringen, wie am Beispiel der Geothermie zu sehen ist. Der Züricher Seismologe Nicholas Deichmann kommt zu einem ernüchternden Schluss: „Bei der Technik sind einige grundsätzliche Fragen noch nicht beantwortet, so dass man nicht von ,ausgereift’ sprechen sollte.“ Er ist sich ziemlich sicher, dass derartige Projekte noch häufiger Erschütterungen hervorrufen, wenngleich auch keine verheerenden. „Wir stehen noch weit am Anfang der Lernkurve“, sagt er. „Es wird wahrscheinlich unmöglich sein, auch mit fortschreitendem Wissen, spürbare Erdbeben völlig auszuschließen.“

Doch wozu? „Jede Form der Energiegewinnung, von Kernkraft bis Wasserkraft an Staudämmen, hat ihre Risiken“, sagt er. Bei der Erdgasförderung oder dem Kohleabbau gebe es relativ häufig Erschütterungen. „Das ist weitgehend normal, die Bergbaufirmen bezahlen den Schaden und es gibt kaum große Aufregung.“ Sein Kollege Christian Klose sieht das genauso: „Auch bei Tiefengeothermie müssen wir lernen, mit dem Risiko zu leben.“