Geothermie

Die Geothermie, auch als Erdwärme bekannt, ist eine Art der regenerativen Energiebereitstellung. [[Bild:[[Bild:[[Bild:[[Bild:

Entstehung

Geothermie resultiert zum größeren Teil (70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdmantel und Erdkern, zum geringeren Teil (30 Prozent) aus der aufsteigenden Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung; die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4500 °C bis 6500 °C. Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der oberflächennahen Geothermie (mit Hilfe von Sonden zu Heizzwecken) und der Tiefen-Geothermie (mit Hilfe von Tiefbohrungen zur Strom- und Wärmegewinnung) unterschieden.

99 Prozent unseres Planeten]]]]]]]] sind heißer als 1000 °C; 99 Prozent vom Rest sind immer noch heißer als 100 °C. Fast überall hat das Erdreich in 1 Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C, unter besonderen geologischen Bedingungen kann die Temperatur dort 100 °C bis 400 °C erreichen. Der an der Erdoberfläche ankommende Wärmefluss aus dem Erdinneren beträgt durchschnittlich 0,063 Watt/m².

Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit und der ökologischen Qualität. Sie ist zwar im strengen Sinne nicht regenerativ, aber ihr Potenzial ist von kosmischen Dimensionen. Theoretisch würde allein die in den oberen 3 Kilometer der Erdkruste gespeicherte Energie ausreichen, um die Welt für etwa 100.000 Jahre mit Energie zu versorgen.

Die Geothermie steht fast überall, bis auf wenige ungünstige Ausnahmen, im Boden an Ort und Stelle bereit. Sie ist für Länder mit wenig stabiler Sonneneinstrahlung eine wirtschaftliche Energiealternative für die Zukunft.

Was die pro-Kopf Nutzung der Erdwärme betrifft, ist Island Spitzenreiter bei 200 MW_e installierter Leistung, siehe hierzu Geothermale Energie in Island. Was die installierte Leistung alleine betrifft, sind die USA mit 2.000 MW_e Spitzenreiter. Insgesamt gibt es in den 22 wichtigsten die Erdwärme nutzenden Ländern eine installierte Leistung von 8.200 MW_e (Stand: 2000; Quelle der Zahlen: Schweizerische Vereinigung für Geothermie SVG (Hrsg.), Info-Geothermie Nr. 6 - Oktober 2003, Seite 2).

Im November 2003 wurde in Neustadt-Glewe das erste geothermische Kraftwerk Deutschlands (Geothermie-Kraftwerk Neustadt-Glewe) in Betrieb genommen.

Tiefe Geothermie

Die Temperaturen im Inneren der Erde sind sehr hoch. Je tiefer man in der Erdkruste bohrt, umso höher steigt die Temperatur an. Im Durchschnitt erhält man (mit sehr großer Schwankungsbreite) pro Kilometer Tiefe eine Temperaturerhöhung von 35 °C bis 40 °C. Mit den zur Verfügung stehenden Temperaturen kann man Häuser über ein Fernwärmenetz direkt heizen oder sogar Strom in einem Erdwärmekraftwerk erzeugen. Zu diesen Zweck werden Bohrungen abgeteuft, aber auch bestehende, nicht mehr genutzte Tiefbohrungen können umgewidmet werden. Zur Energiegewinnung werden Erdwärmesonden installiert.

Beim derzeitigen Stand der Bohr-Technik kann Erdwärme in bis zu 6.000 Metern Tiefe und bis zu 400 °C erschlossen werden. Geothermische Blockheizkraftwerke könnten in Deutschland mittelfristig etwa die Hälfte des nationalen Energiebedarfs abdecken.

Generell werden im Bereich der tiefen Geothermie drei Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund unterschieden:

Erdwärmesonden; das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde
Hydrothermale Systeme; im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter (Aquifere)
HDR-Systeme [Hot-Dry-Rock-Systeme]; mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser zwischen zwei Brunnen zirkuliert.
Tatsächlich ist die Annahme, bei diesen Temperaturen und Tiefen trockene Gesteinsformationen vorzufinden, nicht korrekt. Aus diesem Grund existieren auch verschiedene andere Bezeichnungen für dieses Verfahren: u.a. Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) oder Enhanced Geothermal System (EGS).

Welches der in Frage kommenden Verfahren zum Einsatz kommt, ist von den geologischen Voraussetzungen am Standort, von der benötigten Energiemenge und dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung abhängig. Derzeit werden in Deutschland fast ausschließlich hydrothermale Systeme geplant, mit der Nutzung eines Einzelbrunnens in Erding ist eine tiefe Erdwärmesonde schon seit Jahren erfolgreich im Betrieb. HDR-Verfahren befinden sich derzeit in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forets im Elsass in der Erprobung.

Oberflächennahe Geothermie

Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark. Innerhalb der oberen Schichten des Erdbodens werden diese Temperaturen jedoch nicht bzw. nur sehr stark gedämpft nachvollzogen (Gedämpfte harmonische Schwingung).

In der Praxis zeigt sich dieses Phänomen z.B. darin, dass in Deutschland der Erdboden in Tiefen von 80 cm frostsicher ist. In Tiefen von 4 m, sowie im gesamten oberflächennahen Grundwasser herrschen das ganze Jahr über Temperaturen von nahezu konstant der Jahresdurchschnittstemperatur (ca. 8°C in Deutschland).

Mathematisch kann man den Temperaturverlauf mit einer gedämpften harmonischen Schwingung beschreiben. (Formel einfügen)

Mittels Erdwärmesonden (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme) wird die Wärme an die Oberfläche gefördert. Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren. Mit Erdwärme kann im Sommer aber auch gekühlt werden.

Situation in Deutschland

In Deutschland sind etwa 30 Erdwärme-Anlagen mit einer Leistung von insgesamt etwa 50 Megawatt in Betrieb. An mehreren weiteren Standorten laufen entsprechende Studien. So wird zum Beispiel untersucht, ob in das Fernwärme-Netz der Ruhr-Universität und der Fachhochschule Bochum Erdwärme eingespeist werden kann. Bei der Stromerzeugung aus Erdwärme kommt in erster Linie der Organic Rankine Cycle zum Einsatz.

Siehe auch

Literatur

Ernst Huenges: Energie aus der Tiefe: Geothermische Stromerzeugung. Physik in unserer Zeit 35(6), S. 282 – 286 (2004), ISSN 0031-9252

Weblinks

Wärmepumpen (Oberflächennahe Geothermie)