Skip to main content

Advertisement

Log in

Oberflächennahe Geothermie und ihre potenziellen Auswirkungen auf Grundwasserökosysteme

Shallow geothermal energy usage and its potential impacts on groundwater ecosystems

  • Fachbeitrag
  • Published:
Grundwasser Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Oberflächennahe Geothermie ist eine sich rasant entwickelnde Technologie, deren Einfluss auf die Ökologie unterirdischer aquatischer Lebensräume bisher nicht ausreichend untersucht wurde. Dabei sind biologische Prozesse maßgeblich von der Temperatur beeinflusst. In Feld- und Laboruntersuchungen, die Temperaturveränderungen von 2 bis 45 °C umfassten, erwiesen sich insbesondere die Diversität und Zusammensetzung von Bakteriengemeinschaften im Aquifer als sehr temperatursensitiv, während mikrobielle Biomasse und Aktivitäten zusätzlich von der Nährstoff- und Substratverfügbarkeit im Grundwasserleiter beeinflusst waren. Echte Grundwasserinvertebraten zeigten eine geringe Temperaturtoleranz gegenüber dauerhaften Temperaturerhöhungen. Die durchgeführten Untersuchungen erlauben erste Empfehlungen für eine ökologisch nachhaltige Planung, Genehmigung, den Bau und den Betrieb von oberflächennahen Geothermieanlagen.

Abstract

The use of shallow geothermal energy is a thriving technology. Still, its impact on the ecology of subsurface habitats has not been adequately investigated. Biological processes are substantially influenced by temperature. In field and laboratory investigations comprising a temperature range from 2 to 45 °C we show, that the diversity and structure of aquifer microbial communities is significantly influenced by temperature. Microbial biomass and activities are shown to additionally depend on the availability of nutrients and substrates in the groundwater. Selected groundwater invertebrates exhibited little tolerance towards mid- and long-term exposure to increased temperatures. Our results allow first recommendations towards the design, authorization, construction and operation of shallow geothermal energy facilities in an ecologically sustainable way.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7
Abb. 8

Literatur

  • Alexander, I.: Gutachten über Mikrobiologie im Aquiferspeicher. In: Harasim, A. & Weissenbach, B. (Hrsg.) Entwicklung eines Aquifer-Wärmespeichers, Phase 1, BMFT Forschungsbericht T82-032, Bd. 2, S. D1–D4 (1982)

  • Alfreider, A., Krössbacher, M., Psenner, R.: Groundwater samples do not reflect bacterial densities and activity in subsurface systems. Water Res. 31, 832–840 (1997)

    Article  Google Scholar 

  • Anneser, B., Pilloni, G., Bayer, A., Lueders, T., Griebler, C., Einsiedl, F., Richters, L.: High resolution analysis of contaminated aquifer sediments and groundwater – what can be learned in terms of natural attenuation? Geomicrobiol. J. 27(2), 130–142 (2010)

    Article  Google Scholar 

  • Aragno, M.: Annex 10, Impacts Microbiologiques. In: Premier cycle d’exploitation de l’installation pilote SPEOS. Rapport (1983)

  • Arning, E., Kölling, M., Panteleit, B., Reichling, J., Schulz, H.D.: Einfluss oberflächennaher Wärmegewinnung auf geochemische Prozesse im Grundwasserleiter. Grundwasser 11(1), 27–39 (2006)

    Article  Google Scholar 

  • Avramov, M., Schmidt, S.I., Griebler, C., Hahn, H.J., Berkhoff, S.: Dienstleistungen der Grundwasserökosysteme. KW 3(2), 74–81 (2010)

    Google Scholar 

  • Bååth, E.: Thymidine incorporation into soil bacteria. Soil Biol. Biochem. 22, 803–810 (1990)

    Article  Google Scholar 

  • Balke, K.D.: Sicherung der Wasserversorgung durch Gewässerschutz, Wasseraufbereitung und -verbund. GWA 29, 371–389 (1978)

    Google Scholar 

  • Bell, R.T.: An explanation for the variability in the conversion factor deriving bacterial cell production from incorporation of [3H]-thymidine. Limnol. Oceanogr. 35, 910–915 (1990)

    Article  Google Scholar 

  • Berner, M., Bayer, P., Blum, P.: Berechnung von Temperaturfahnen durch Grundwasserwärmepumpenanlagen. In: GeoDarmstadt 2010, Darmstadt (2010)

  • Blum, P., Campillo, G., Münch, W., Kölbel, T.: CO2 savings of ground source heat pump systems – a regional analysis. Renew. Energy 35, 122–127 (2010)

    Article  Google Scholar 

  • BMU: Grundwasser in Deutschland. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bericht. 70 S (2008)

  • Bogosian, G., Sammons, L.E., Morris, P.J., O’Neil, J.P., Heitkamp, M.A., Weber, D.B.: Death of the Escherichia coli K-12 strain W3110 in soil and water. Appl. Environ. Microbiol. 62(11), 4114–4120 (1996)

    Google Scholar 

  • Boulton, A.J., Fenwick, G.D., Hancock, P.J., Harvey, M.S.: Biodiversity, functional roles and ecosystem services of groundwater invertebrates. Invertebr. Syst. 22(2), 103–116 (2008)

    Article  Google Scholar 

  • Brielmann, H., Griebler, C., Schmidt, S.I., Michel, R., Lueders, T.: Effects of thermal energy discharge on shallow groundwater ecosystems. FEMS Microbiol. Ecol. 68, 273–286 (2009)

    Article  Google Scholar 

  • Brons, H.J., Griffioen, J., Appelo, C.A.J., Zehnder, A.J.B.: (Bio)geochemical reactions in aquifer material from a thermal energy storage site. Water Res. 25(6), 729–736 (1991) (1991)

    Article  Google Scholar 

  • Camper, A.K., McFeters, G.A., Characklis, W.G., Jones, W.L.: Growth kinetics of coliform bacteria under conditions relevant to drinking water distribution systems. Appl. Environ. Microbiol. 57, 2233–2239 (1991)

    Google Scholar 

  • Connell, J.H.: Diversity in tropical rain forests and coral reefs. Science 199, 1302–1310 (1978)

    Article  Google Scholar 

  • De’ath, G.: Multivariate regression trees: a new technique for modeling species-environment relationships. Ecology 83(4), 1105–1117 (2002)

    Google Scholar 

  • Dial, R., Roughgarden, J.: Theory of marine communities: the intermediate disturbance hypothesis. Ecology 79, 1412–1424 (1998)

    Article  Google Scholar 

  • EUROBSERVER (Hrsg.): Heat pumps barometer. Systèmes Solaires 193, 79 (2009)

  • Ferraro, F.: Effects and impacts on groundwater ecosystems: review and experiments. Master thesis, Institute of Environmental Engineering, ETH Zurich, Switzerland (2009)

  • Findlay, S.E.G., Meyer, J.L., Edwards, R.T.: Measuring bacterial production via rate of incorporation of [3H]thymidine into DNA. J. Microbiol. Methods 2(2), 57–72 (1984)

    Article  Google Scholar 

  • Fridleifsson, I.B., Bertani, R., Huenges, E., Lund, J.W., Ragnarsson, A., Rybach, L.: The possible role and contribution of geothermal energy to the mitigation of climate change. In: Hohmeyer, O., Trittin, T. (Hrsg.) IPCC Scoping Meeting on Renewable Energy Sources, Proceedings, Lübeck, Germany, 20–25 January, 2008, S. 59–80 (2008)

    Google Scholar 

  • Fuchs, A.: Erhebung und Beschreibung der Grundwasserfauna in Baden-Württemberg. Ph.D. thesis, University Koblenz-Landau, Landau (2007)

  • Fuchs, G., Schlegel, H.G.: Allgemeine Mikrobiologie. 8. Aufl. S. 678. Thieme, Stuttgart (2006)

    Google Scholar 

  • Glatzel, T.: On the biology of Parastenocaris phyllura Kiefer (Copepoda, Harpacticoida). Stygologia 5, 131–136 (1990)

    Google Scholar 

  • Griebler, C., Lueders, T.: Microbial biodiversity in groundwater ecosystems. Freshw. Biol 54, 649–677 (2009)

    Article  Google Scholar 

  • Griebler, C., Mindl, B., Slezak, D., Geiger-Kaiser, M.: Distribution patterns of attached and suspended bacteria in pristine and contaminated shallow aquifers studied with an in situ sediment exposure microcosm. Aquat. Microb. Ecol. 28, 117–129 (2002)

    Article  Google Scholar 

  • Griebler, C., Mösslacher, F.: Grundwasser-Ökologie. UTB-Facultas Verlag, Wien (2003)

    Google Scholar 

  • Griffioen, J., Appelo, C.A.J.: Nature and extent of carbonate precipitation during aquifer thermal energy storage. Appl. Geochem. 8, 161–176 (1993)

    Article  Google Scholar 

  • Hahn, H.J., Matzke, D.: A comparison of stygofauna communities inside and outside groundwater bores. Limnologica 35(1–2), 31–44 (2005)

    Google Scholar 

  • Hähnlein, S., Molina-Giraldo, N., Blum, P., Bayer, P., Grathwohl, P.: Ausbreitung von Kältefahnen im Grundwasser bei Erdwärmesonden. Grundwasser 15(2), 123–133 (2010a)

    Article  Google Scholar 

  • Hähnlein, S., Bayer, P., Blum, P.: International legal status of the use of shallow geothermal energy. Renew. Sustain. Energy Rev. 14, 2611–2625 (2010b)

    Article  Google Scholar 

  • Harvey, R.W., Smith, R.L., George, L.: Effect of organic contamination upon microbial distributions and heterotrophic uptake in a Cape Cod, MA, aquifer. Appl. Environ. Microbiol. 48, 1197–1202 (1984)

    Google Scholar 

  • Herman, J.S., Culver, D.C., Salzman, J.: Groundwater ecosystems and the service of water purification. 20 Stan. Envtl. L. J., 479ff. (2001)

  • Hill, T.C.J., Walsh, K.A., Harris, J.A., Moffett, B.F.: Using ecological diversity measures with bacterial communities. FEMS Microbiol. Ecol. 43(1), 1–11 (2003)

    Article  Google Scholar 

  • Hunkeler, D., Goldscheider, N., Rossi, P.: Biozönosen im Grundwasser: Grundlagen und Methoden der Charakterisierung von mikrobiellen Gemeinschaften. Schweiz. Bundesamt für Umwelt, BAFU, Bern (2006)

    Google Scholar 

  • Issartel, J., Hervant, F., Voituron, Y., Renault, D., Vernon, P.: Behavioural ventilatory and respiratory responses of epigean and hypogean crustaceans to different temperatures. Comp. Biochem. Physiol., Part a Mol. Integr. Physiol. 141(1), 1–7 (2005)

    Article  Google Scholar 

  • Kirschner, A.K.T., Velimirov, B.: Benthic bacterial secondary production measured via simultaneous 3H-thymidine and 14C-leucine incorporation, and its implication for the carbon cycle of a shallow macrophyte-dominated backwater system. Limnol. Oceanogr. 44(8), 1871–1881 (1999)

    Article  Google Scholar 

  • Klotzbücher, T., Kappler, A., Straub, K.L., Haderlein, S.B.: Biodegradability and groundwater pollutant potential of organic anti-freeze liquids used in borehole heat exchangers. Geothermics 36(4), 348–361 (2007)

    Article  Google Scholar 

  • Koolman, J., Röhm, K.-H.: Taschenatlas der Biochemie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart (1998)

    Google Scholar 

  • Kristmannsdottir, H., Armannsson, H.: Environmental aspects of geothermal energy utilization. Geothermics 32, 451–461 (2003)

    Article  Google Scholar 

  • Kunkel, R., Voigt, H.-J., Wendland, F., Hannappel, S.: Die natürliche, ubiquitär überprägte Grundwasserbeschaffenheit in Deutschland. Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Umwelt, Band 47, ISSN 1433–5530 (2004)

  • Lake, P.S.: Disturbance, patchiness, and diversity in streams. J. North Am. Benthol. Soc. 19, 573–592 (2000)

    Article  Google Scholar 

  • Lengeler, J.W., Drews, G., Schlegel, H.G.: Biology of the Prokaryotes. S. 1000. Thieme, Stuttgart, (1999)

    Google Scholar 

  • Lerm, S., Alawi, M., Miethling-Graff, R., Wolfgramm, M., Rauppach, K., Seibt, A., Würdemann, H.: Microbial impact on geothermal cold storage in a shallow aquifer, Grundwasser 16(2) (2011)

  • Madigan, M.T., Martinko, J.M., Dunlap, P.V., Clark, D.P.: Brock Biology of Microorganism, 12. Aufl., S. 1168. Benjamin Cummings, Redwood (2008)

    Google Scholar 

  • Mattheß, G.: Die Beschaffenheit des Grundwassers. Lehrbuch der Hydrogeologie, Bd. 2, Gebrüder Borntraeger, Berlin (1994)

    Google Scholar 

  • Pagni, M.: SPEOS Project – Microbiological aspects. In: IEA Summary of the Presentations, Seventh Expert Meeting IEA, Annex III, Amsterdam, S. 24–28 (1985)

    Google Scholar 

  • Pannike, S., Kölling, M., Panteleit, B., Reichling, J., Scheps, V., Schulz, H.D.: Auswirkung hydrogeologischer Kenngrößen auf die Kältefahnen von Erdwärmesondenanlagen in Lockersedimenten. Grundwasser 11(1), 6–18 (2006)

    Article  Google Scholar 

  • Rozen, Y., Belkin, S.: Survival of enteric bacteria in seawater. FEMS Microbiol. Rev. 25(5), 513–529 (2001)

    Article  Google Scholar 

  • Rybach, L.: Geothermal energy: sustainability and the environment. Geothermics 32, 463–470 (2003)

    Article  Google Scholar 

  • Saner, D., Juraske, R., Kübert, M., Blum, P., Hellweg, S., Bayer, P.: Is it only CO2 that matters? A life cycle perspective on shallow geothermal systems. Renew. Sustain. Energy Rev. 14, 1798–1813 (2010)

    Article  Google Scholar 

  • Sanner, B., Karytsas, C., Mendrinos, D., Rybach, L.: Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in Europe. Geothermics 32, 579–588 (2003)

    Article  Google Scholar 

  • Schippers, A., Reichling, J.: Laboruntersuchungen zum Einfluss von Temperaturveränderungen auf die Mikrobiologie des Untergrundes. Grundwasser 11(1), 40–45 (2006)

    Article  Google Scholar 

  • Schreglmann, K.: Potential impacts of temperature changes due to shallow geothermal installations on groundwater fauna. Diplomarbeit, Universität Tübingen (2010)

  • Stibal, M., Anesio, A.M., Blues, C.J.D., Tranter, M.: Phosphatase activity and organic phosphorus turnover on a high Arctic glacier. Biogeosci. Discuss. 6, 2697–2721 (2009)

    Article  Google Scholar 

  • Stumm, W., Morgan, J.J.: Aquatic Chemistry. Wiley, New York (1995)

    Google Scholar 

  • Thulin, B., Hahn, H.J.: Ecology and living conditions of groundwater fauna. Technical Report (TR-08-06) of the Svensk Kärnbränslehantering (SKB), Stockholm (2008)

  • Umweltministerium Baden-Württemberg: Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme mit Grundwasserwärmepumpen. U. Baden-Württemberg, Stuttgart (2009)

    Google Scholar 

  • Vital, M., Füchslin, H.P., Hammes, F., Egli, T.: Growth of Vibrio cholerae O1 Ogawa Eltor in freshwater. Microbiology 153, 1993–2001 (2007)

    Article  Google Scholar 

  • Vital, M., Hammes, F., Egli, T.: Escherichia coli O157 can grow in natural freshwater at low carbon concentrations. Environ. Microbiol. 10(9), 2387–2396 (2008)

    Article  Google Scholar 

  • Wagner, R., Koch, M., Adinolfi, M.: Chemische und biologische Prozesse in Aquifer-Wärmespeichern. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 101, S. 106. Komissionsverlag R. Oldenbourg, München (1988)

    Google Scholar 

  • Ward, J.V., Stanford, J.A.: The intermediate distrurbance hypothesis: An explanation for biotic diversity patterns in lotic ecosystems. In: Fontaine, T.D., Bartell, S.M. (Hrsg.) Dynamics of lotic ecosystems, S. 347–356. Ann Arbor Scientific Publications, AnnArbor (1983)

    Google Scholar 

  • Wobus, A., Bleul, C., Maassen, S., Scheerer, C., Schuppler, M., Jacobs, E., Röske, I.: Microbial diversity and functional characterization of sediments from reservoirs of different trophic state. FEMS Microbiol. Ecol. 46(3), 331–347 (2003)

    Article  Google Scholar 

  • Winderl, C., Anneser, B., Griebler, C., Meckenstock, R.U., Lueders, T.: Depth-resolved quantification of anaerobic toluene degraders and aquifer microbial community patterns in distinct redox zones of a tar oil contaminant plume. Appl. Environ. Microbiol. 74, 792–801 (2008)

    Article  Google Scholar 

  • Zhu, K., Blum, P., Ferguson, G., Balke, K.-D., Bayer, P.: Geothermal potential of urban heat islands (akzeptiert). Environ. Res. Lett. (2010)

Download references

Danksagung

Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung durch die Life Science Stiftung. Den Herren W. Adam (Wasserwirtschaftsamt Freising), R. Michel, H. König und F. Meyfarth (Texas Instruments, Freising) sind wir für die Unterstützung bei der Durchführung der Feldstudie zu Dank verpflichtet. Für Unterstützung bei der Durchführung des gesamten Projektes danken wir E. Schrade, K. Groißmeier, A. Balmert (Technische Universität München) sowie R. Schaupp, G. Hinreiner, G. Teichmann und K. Hörmann (IGÖ-HMGU). Für wertvolle Anregungen und kritische Kommentare danken wir PD Dr. Hans Jürgen Hahn, Dr. Sven Berkhoff und einem anonymen Reviewer.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Christian Griebler.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Brielmann, H., Lueders, T., Schreglmann, K. et al. Oberflächennahe Geothermie und ihre potenziellen Auswirkungen auf Grundwasserökosysteme. Grundwasser 16, 77–91 (2011). https://doi.org/10.1007/s00767-011-0166-9

Download citation

  • Received:

  • Revised:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-011-0166-9

Navigation