Energetische Nutzung von Grundwasser

ZIELE UND METHODIK der Studie

Im Rahmen einer Praktikumsarbeit wurde eine Studie zu den «Rahmenbedingungen für die sichere energetische Nutzung von Grundwasser im Hinblick auf die Trinkwasserversorgung» durchgeführt. Basierend darauf, wurde einerseits ein ausführliches Grundlagendokument erstellt und andererseits wurden die wichtigsten Punkte im vorliegenden Artikel zusammengefasst. In Grundlagendokument und Artikel werden die wesentlichen Gefahren der energetischen Nutzung für die Trinkwasserversorgung aufgezeigt und untersucht, ob geltende rechtliche Rahmenbedingungen genügen, um die Trinkwasserversorgung zu schützen. Zusätzlich werden Forderungen formuliert, wie bestehende Lücken geschlossen werden können.

Ein Teil der Studie bestand in einer Literatur- und Webrecherche, wobei Unklarheiten mit Stakeholdern besprochen wurden. Hinsichtlich der rechtlichen Grundlagen wurden Vertreter des BAFU und BFE interviewt. Da die Wärmegewinnung in der Hoheit der Kantone liegt, wurden zudem Verantwortliche aus sechs zufällig gewählten Kantonen der Schweiz bezüglich der Vollzugspraxis befragt. Aus dieser Befragung wurden Punkte zusammengetragen, die in den Kantonen noch verbessert werden könnten. Für die Analyse der Auswirkungen der Temperaturveränderungen im Grundwasser wurden zwei Berichte des deutschen Umweltbundesamtes [8, 9] zusammengefasst und die Ergebnisse mit einem Biologen und drei Hydrogeologen besprochen. Risiken, die mit dem Bau und Betrieb von Erdwärmesonden verbunden sind, wurden mit einem Verantwortlichen der Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (FWS) zusammengetragen. Um die Relevanz der auftretenden Gefahren einzuordnen und mögliche Ansatzpunkte für Forderungen zu erhalten, wurden zwei Trinkwasserversorger befragt. Schliesslich wurden ausgehend von den gewonnenen Erkenntnissen, in einem iterativen Prozess mit dem Team des Bereichs Wasser des SVGW, Forderungen formuliert.

EINFLÜSSE AUF DAS ÖKOSYSTEM

Gefahren bei Bohrung und Betrieb

Bohrungen für Erdsonden und GBA in den Aquifer verursachen Trübungen im Grundwasser. Zudem werden die hydraulischen Verhältnisse im Aquifer lokal verändert [4, 8]. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass ein Arteser angebohrt wird oder zwei Grundwasserstockwerke miteinander verbunden werden.

Für das Errichten einer geothermischen Anlage wird ein Loch in den Grundwasserleiter gebohrt, wodurch eine direkte Verbindung des Aquifers mit der Oberfläche entsteht. Durch diese Verbindung können Meteorwasser, Schmiermittel oder anderweitige Verschmutzungen in den Grundwasserleiter eingetragen werden und so die Wasserqualität beeinträchtigen.

Das Bohrloch für Erdwärmesonden wird mit einer Bentonit-Wasser-Mischung hinterfüllt, die persistente und toxische Zusatzstoffe enthalten kann [4, 10]. Das Aushärten dieser führt zu einem Anstieg des pH-Werts auf über 12, was die Lösungsgleichgewichte verändert und zum Absterben der Grundwasserfauna führt [8]. Leckagen von Wärmeträgerflüssigkeiten sind zwar sehr selten, aber diese Gemische enthalten oft persistente Zusatzstoffe [10]. Verschmutzungen bleiben häufig unbemerkt, da sie mit den Untersuchungsprogrammen der Wasserversorgungen nicht erfasst werden [11, 12].

Auswirkungen auf Grundwassertemperatur

Während des Betriebes stellt die Veränderung der Grundwassertemperatur den bedeutendsten Einfluss dar. Der thermische Einfluss von GBA ist bei gleicher Leistung grösser als derjenige von Erdwärmesonden, weil mit kleinen Filterstrecken (ca. 6 m) die Leistung einer Erdsonde von ca. 60 m erreicht wird [8]. Durch die starke Beeinflussung der Grundwassertemperatur kann es bei GBA, die mit zu geringem Abstand aufeinander folgend errichtet werden, zu einem Kaskadeneffekt kommen.

Das Abkühlen des Aquifers unter den Gefrierpunkt kann zu Frostsprengungen in der Anlage führen, wodurch schädliche Stoffe in das Grundwasser gelangen können [8]. Bei einer Erhitzung des Wassers auf über 40 °C ist die Viskosität des Wassers so stark vermindert, dass eine zwei- bis dreifach höhere Fliessgeschwindigkeit erreicht wird [9]. Der Chemismus des Grundwassers wird bei einer Abkühlung nicht signifikant verändert. Bei einer Erwärmung hingegen kommt es zu einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeiten pro 10 K (RGT-Regel). Es wurde beispielsweise gezeigt, dass Arsen unter anoxischen Bedingungen ab 25 °C vermehrt von der Gesteinsmatrix desorbieren kann [9]. Ab einer Temperatur von 40 °C werden die Bedingungen im Aquifer anoxisch sowie reduzierend und durch Verschiebungen der Lösungsgleichgewichte muss mit einer signifikanten Änderung der Gesteinsmatrix gerechnet werden [9].

Das Grundwasser bietet verschiedenen Mikroorganismen und kleinen Tieren einen Lebensraum. Über diese Lebensgemeinschaft ist bis heute nicht viel bekannt – ausser dass sie verantwortlich ist für den Selbstreinigungsprozess des Grundwassers [9, 13]. Die Mikrobiologie ist sehr anpassungsfähig, wodurch es bei Änderungen der Temperatur lediglich zu einem Wechsel der dominanten Spezies kommt. Bereits ab einer Temperatur von 25 °C kann es in nährstoffreichen Böden durch die erhöhte mikrobiologische Aktivität zu einer kompletten Sauerstoffzehrung kommen [8, 14]. Bei einer weiteren Temperaturerhöhung kommt es dann zu Methanogenese und einer Übernahme von thermophilen Gemeinschaften, die grundwasserfremd sind [9]. Beim Abkühlen können einige Vertreter der Stygofauna (siehe Box 1) in eine reversible Kältestarre übergehen. Die Erwärmung des Grundwassers führt auch bei ihnen zu einer erhöhten Aktivität, was allerdings Stress auslöst und bei Temperaturen >16 °C letale Effekte nach sich zieht [8, 9]. Es muss davon ausgegangen werden, dass die Reduktion oder sogar das Wegfallen der Stygofauna mit dem Verlust der Filterwirkung des Aquifers einhergeht [13].

RECHTLICHE RAHMENBEDINGUNGEN UND VOLLZUG

Bund

Die Anlagen müssen die rechtlichen Vorgaben der Gewässerschutzgesetzgebung, die das Grundwasser betreffen, einhalten. Insbesondere ist das Verbinden zweier Aquifere untersagt (Art. 43 Abs. 3 GSchG). Überdies ist darauf zu achten, dass die vorhandene Biozönose naturnah bleibt (Anhang 1 Ziff. 2 GSchV). Auch darf die Temperatur des Grundwassers um nicht mehr als 3 °C bezüglich des natürlichen Zustandes verändert werden (Anhang 2 Ziff. 21 Abs. 3 GSchV), wobei örtlich eng begrenzte Temperaturveränderungen vorbehalten bleiben. Das bedeutet, dass im unmittelbaren Umkreis von maximal 100 Metern um eine Erdwärmegewinnungsanlage die Veränderung mehr als 3 °C betragen darf.

In der Schweiz wird 30% des gewonnenen Grundwassers ohne Aufbereitung und weitere 30% nur einstufig (i. d. R. UV-Desinfektion) aufbereitet ins Netz abgegeben [17]. In diesen Fällen muss das Grundwasser bei der Trinkwasserfassung die chemischen (und mikrobiologischen) Qualitätsanforderungen des Lebensmittelrechts erfüllen. Der Wasserversorger ist verpflichtet, eine risikobasierte Selbstkontrolle durchzuführen (Art. 26 LMG). Gemäss Art. 3 Abs. 3 TBDV muss er zudem im Rahmen der gesamtbetrieblichen Gefahrenanalyse periodisch eine Analyse der Gefahren für Wasserressourcen durchführen. Es ist also erforderlich, dass der Wasserversorger die Gefahren im Fassungseinzugsgebiet kennt.

In der Vollzugshilfe «Wärmenutzung aus Boden und Untergrund» des BAFU aus dem Jahre 2009 [18] wird definiert, dass keine Anlagen zur energetischen Nutzung von Grundwasser in den Grundwasserschutzzonen und -arealen errichtet werden dürfen. Im Gewässerschutzbereich (A_u; für die Nutzung geeignetes Grundwasservorkommen) sind GBA wie auch Erdwärmesonden fallweise, aber nur mit Bewilligung nach Art. 32 GSchV zulässig. Erdsonden müssen nach SIA-Norm 384/6 «Erdwärmesonden» errichtet werden. Für GBA muss bei der Versickerung sichergestellt sein, dass keine sauerstoffarmen Verhältnisse geschaffen werden und keine Abweichung vom natürlichen Zustand hervorgerufen
wird.

Kantone

Die Bewilligung von Anlagen zur Wärmenutzung aus dem Untergrund obliegt den Kanonen ([18] zu Art. 76 Abs. 4 BV).

In der Tabelle sind die wichtigsten Elemente der Vollzugspraxis in sechs Kantonen hinsichtlich geothermischer Anlagen und Trinkwassersicherheit zusammengefasst und bewertet. Viele Kantone verbieten das Erstellen von Erdwärmesonden im Gewässerschutzbereich Au aufgrund der damit verbundenen Risiken. Die Kantone Thurgau und Zürich besitzen ein nummerisches Grundwassermodell für ihre grössten Grundwasseraquifere (Limmat und Thur), in welches die Temperaturfahnen von geothermischen Anlagen eingetragen werden können, um Kaskadeneffekte zu verhindern. In diesen Kantonen sowie im Kanton Basel-Landschaft sind nummerische Berechnungen der Temperaturausbreitung einer GBA für die Bewilligung notwendig. Die reine Kältenutzung durch GBA ist in den Kantonen Basel-Landschaft und Solothurn verboten. Da der Bund empfiehlt, möglichst grosse GBA zu erstellen, fordern viele Kantone eine Mindestleistung. Die Wasserversorger werden nur im Kanton ­Basel-Landschaft konsequent und aktiv in den Bewilligungsprozess von geothermischen Anlagen einbezogen. In den Kantonen Zürich, Bern und Solothurn müssen die Bauarbeiten für eine GBA von einem Hydrogeologen begleitet werden, in Solothurn werden die Anlagen danach auch noch vom Kanton abgenommen.

FORDERUNGEN DES SVGW

Im Rahmen der Studie wurden einige Lücken in der Vollzugspraxis der Kantone erkannt, die potenziell ein Risiko für die Trinkwasserversorgung darstellen. Hier setzen die Forderungen des SVGW an: Demnach wird als zentrales Instrument erachtet, dass Zuströmbereiche (Z_u) konsequent ausgeschieden und innerhalb dieser Regulierungen bezüglich geothermischer Nutzungsmöglichkeiten implementiert werden. Der Zuströmbereich beschreibt die Fläche, innerhalb derer 90% des die Fassung speisenden Wassers als Niederschlag auf die Erdoberfläche trifft (oder via Oberflächengewässer infiltriert) und der Fassung zuströmt.
Gefährdungen, ausgehend von Erdwärmesonden in Aquiferen, die für die Trinkwasserversorgung genutzt werden (können), sind vielfältig und lassen sich nicht gänzlich vermeiden. Eine sichere Trinkwassergewinnung – heute und in Zukunft – ist deshalb nur möglich, wenn im Gewässerschutzbereich Au keine Erdwärmesonden erstellt werden.

Da jede Verbindung in den Grundwasserleiter eine potenzielle Gefahrenquelle darstellt, ist es nach Meinung des SVGW notwendig, die Anzahl GBA zu beschränken, weshalb schweizweit eine Mindestleistung einer Anlage von 50 kW eingeführt werden sollte. Damit bei der energetischen Nutzung durch GBA kein Kaskadeneffekt entstehen kann, sollte ausserdem die Temperaturausbreitung einer Anlage immer modelliert werden. Zusätzlich sollten die Kantone ein nummerisches Modell für die grössten Grundwasseraquifere erstellen, in welches alle Anlagen aufgenommen werden.

Das Umweltbundesamt Deutschlands empfiehlt, in trinkwassergenutzten Aquiferen wegen der geringen Temperaturtoleranz der Stygofauna keine Temperaturveränderungen von mehr als 3 °C zuzulassen und die Grenzen von 16 °C und 6 °C nicht zu über- respektive unterschreiten [9]. Diese Grenzen sollten für den Zuströmbereich einer Trinkwasserfassung übernommen werden. Ausserhalb des Zu könnten Temperaturänderungen um mehr als 3 °C zugelassen werden, solange die Ober- und Untergrenzen eingehalten werden.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, eine 200-m-Pufferzone im Zustrom (100 m im Abstrom) um die Grundwasserschutzzone S3 einer Trinkwasserfassung einzuführen, in der keine GBA errichtet werden dürfen (Fig. 2). Diese Abstände kennen bereits einige Ostschweizer Kantone wie Zürich [19]. Im Falle der Kältenutzung sollte zusätzlich definiert sein, dass die 1-K-Isotherme an diese Pufferzone lediglich grenzen und nicht mit ihr überlappen darf. Damit kann eine zusätzliche Erwärmung des Grundwassers vermieden werden. Bei höheren Temperaturen wird das Wasser als abgestanden wahrgenommen und es können Hygieneprobleme im Leitungssystem auftreten.

Schliesslich sollten alle Kantone in dem jeweiligen Zuströmbereich die Wasserversorger aktiv in den Bewilligungsprozess für GBA einbeziehen. Insbesondere sollten die Wasserversorger berechtigt sein, Anlagen im Zuströmbereich ihrer Fassungen zu besichtigen, und bei Fehlern die Möglichkeit zur Intervention haben. Nur so können Wasserversorger ihre risikobasierte Selbstkontrolle auf die neuen Gefahren für die von ihnen genutzte Wasserressource abstimmen.

Um sicherzustellen, dass ein geothermischer Brunnen fachgerecht eingebaut wurde, muss eine systematische Kontrolle durch den Kanton erfolgen. Ausserdem muss sichergestellt werden, dass GBA im Einklang mit der SVGW-Richtlinie W9 für Grundwasserbrunnen errichtet werden.

FAZIT UND AUSBLICK

Die Studie hat klar ergeben, dass die heutigen Regulierungen nicht ausreichend sind, um das für die Trinkwasserversorgung genutzte Grundwasser vor den negativen Einwirkungen geothermischer Anlagen zu schützen. Damit die Nutzung des Grundwassers für die Trinkwasserversorgung weiterhin sichergestellt bleibt, hat der SVGW einige Forderungen aufgestellt, die von den Kantonen konsequent umgesetzt werden sollten.

Infolge der Annahme der Motion Jauslin 22.3702 «Energiezukunft durch sichere Nutzung des Untergrunds zur Speicherung», welche die Aufweitung der 3-°C-Regelung zugunsten der energetischen Nutzung fordert, wird dieses Anliegen nun auf Bundesebene diskutiert. Dabei muss eine Balance gefunden werden zwischen einer klimaneutralen Wärmegewinnung und dem Schutz der Ressource Grundwasser.

Eine zukunftsträchtige Möglichkeit der energetischen Nutzung eines Aquifers stellt die saisonale Speicherung von überschüssiger Wärme des Sommers dar, die dann im Winter genutzt wird [20]. Dies kann durch eine rezyklierende Anlage – wie in Figur 3 schematisch dargestellt – geschehen, die an ein grösseres Anergienetz angeschlossen ist [20]. Mit solchen Anlagen können die thermischen Auswirkungen auf vergleichsweise engem Raum begrenzt werden, was für den Grundwasserschutz von Vorteil wäre.

Das ausführliche Grundlagendokument «Rahmenbedingungen für die sichere energetische Nutzung von Grundwasser im Hinblick auf die Trinkwasserversorgung», das im Rahmen der Praktikumsarbeit von ­Salome Loepfe beim SVGW entstand, ist bei Rolf Meier (r.meier@svgw.ch) erhältlich.

Bibliographie

[1] Bundesamt für Energie BFE (2021): Energieperspektiven 2050+; Technischer Bericht; Gesamtdokumentation der Arbeiten. Prognos AG, INFRAS AG, TEP Energy GmbH, Ecoplan AG
[2] Bundesamt für Umwelt BAFU (2019): Zustand und Entwicklung Grundwasser Schweiz; Ergebnisse der Nationalen Grundwasserbeobachtung NAQUA, Stand 2016
[3] Geothermie-Schweiz: Geothermie Übersicht: Wir stehen auf Energie! https://geothermie-schweiz.ch/geothermie/geothermie-uebersicht/
[4] Stober, I.; Bucher, K. (2020): Geothermische Brunnenanlagen. In: Geothermie. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg
[5] Geothermie-Schweiz: Von Sonden bis zu Energiepfählen
[6] Link, K. (2022): Statistik der geothermischen Nutzung in der Schweiz. Geo-Future GmbH im Auftrag von EnergieSchweiz
[7] Geothermie-Schweiz (2022): Statistik Schweiz; 4.6 TWh geothermische Wärme pro Jahr
[8] Griebler, C. et al. (2015): Auswirkungen thermischer Veränderungen infolge der Nutzung oberflächennaher Geothermie auf die Beschaffenheit des Grundwassers und seiner Lebensgemeinschaften – Empfehlungen für eine umweltverträgliche Nutzung. Umweltbundesamt
[9] Hiester, U. et al. (2021): Umweltverträgliche Nutzung geothermischer Wärmespeicher. Umweltbundesamt
[10] Künzli, M. et al. (2019): Grundwasser und Erdwärmenutzung – Abschätzung der Gefährdung von Stoffen aus der Erdwärmenutzung auf das Grundwasser. Aqua & Gas 3/19: 45–50
[11] Eugster, W. (2022): Interview Gütesiegel Erdwärmesonden-Bohrfirmen. Projektleiter Gütesiegel für EWS-Bohrfirmen, Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS. (S. Loepfe, Interviewer)
[12] Schmidt, O. (2022): Interview Wasserversorger. Geschäftsführer Gemeindeverband Wasserversorgung untere Langete WUL. (S. Loepfe, Interviewer)
[13] Alther, R. (2022): Interview Biologe. Biologe, Abteilung Aquatische Ökologie Eawag. (S. Loepfe, Interviewer)
[14] Jesußek, A;, Grandel, S.; Dahmke, A. (2013): Impacts of subsurface heat storage on aquifer hydrogeochemistry. Environ Earth Sci. 69: 1999–2012
[15] Meyer, A. et al. (2020): Das Grundwasser unter die Lupe nehmen: Lebensgemeinschaften als Anzeiger der Grundwasserqualität. ANLiegen Natur 42(1): 173–182
[16] Studer, A. et al. (2022): Erfassung der Grundwasserflohkrebse – Studie zur Artenvielfalt und Verbreitung im Einzugsgebiet der Töss. Aqua & Gas 4/22: 14-19
[17] Freiburghaus, M. (2022): Trinkwasserbranche statistisch beleuchtet. Aqua & Gas 6/22: 32–40
[18] BAFU (2009): Wärmenutzung aus Boden und Untergrund; Vollzugshilfe für Behörden und Fachleute im Bereich Erdwärmenutzung. Bundesamt für Umwelt
[19] AWEL (2010): Energienutzung aus Untergrund und Grundwasser. Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft; Zürich
[20] IG Zyklos (2022): Saisonale Wärmespeicherung. AWEL Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft Zürich