Geothermie

Die Geothermie, oder Erdwärme, ist eine Form der regenerativen Energie. Sie bezeichnet die in der Erde entstehende oder gespeicherte Energie, soweit sie von uns genutzt werden kann. Die geothermische Energie kann der Erde auf unterschiedlichste Art und Weise entzogen werden (siehe unter Gewinning von Erdwärme). Sie kann sowohl direkt genutzt werde, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt, als auch zunächst in elektrischen Strom umgewandelt. Mit Geothermie wird auch sowohl

die wissenschaftlich /technische Beschäftigung mit der Geothermie, als auch
die wissenschaftliche Beschäftigung mit der thermischen Situation des Erdkörpers bezeichnet.

Letzteres wird vielfach auch Geothermik genannt.

Datei:Lardarello01.jpg

Geothermie-Anlage in Lardarello (Toskana, Italien)

Entstehung

Geothermie ist die in dem oberen (zugänglichen) Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie stammt zum geringeren Teil (30 Prozent) aus der

Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung (Kompaktion) zum größeren Teil (70 Prozent) aus
radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erkruste seit Jahrmilionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen. Dies geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie Uran 235, 238, Thorium 232 und Kalium 40 zurück. Ganz oberfächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfäche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu. Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4500 °C bis 6500 °C.

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 (siehe auch Geothermische Tiefenstufe). Unter besonderen geologischen Bedingungen zum Beispiel in heutigen oder früheren Vulkangebieten entstehen geothermiesche Annomalien. Hier kann die Temperatur viele hundert °C erreichen.

Geothermie als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung

Die Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung geht auf die kinetische Energie der Materie zurück, die Gesteinsbrocken innewohnt, die vor Milliarden von Jahren sich zu unserer Erde verdichteten. Dabei wurde die kinetische Energie der Fluchtgeschwindigkeit in die Temperaturerhöhung umgesetzt, die beim Zusammenprall der interstellaren Gesteinsbrocken frei wird. Diese Temperaturerhöhung kann man heute noch beobachten, wenn ein Komet oder Asteroid auf die Erde auftrifft.

Geothermie aus radioaktiven Zerfallsprozessen

Die Leistung, die aus dem radioaktiven Zerfall resultiert beträgt etwa 16*10¹² Watt. Bei einem mittleren Erdradius von 6.371 km beträgt die geothermische Leistung des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,032 Watt/Quadratmeter der Erdoberfläche. Insofern haben wir es mit der friedlichen Nutzung der – in Anführungsstrichen - „natürlichen“ Kernenergie zu tun.

Wärmestrom

Die Wärme wird aus tieferen Teilen der Erde durch

Wärmeleitung, also Konduktion, aber auch durch
Konvektion

in für die Nutzung erreichbare Teifen transportiert.

Der terrestrische Wärmestrom, also die von der Erde pro qm an den Weltraum abgegebene Leistung ist etwa 0,063 Watt/Quadratmeter. Dies ist ein relativ kleiner Wert und weist schon darauf hin, dass sich Geothermie vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet. Der Wärmefluss ist in diesen annomalen Gebieten ein Vielfaches größer als üblich.

Die Wärmestromdichte, also die Energie, die aus dem Erdinneren nachströmt ist so gering, dass bei der Geothermienutzung vorwiegend nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die gespeicherte Energie genutzt oder abgebaut wird. Eine Geothermienutzung muss also so dimensioniert werden, dass die Auskühlung des betreffenden Erdkörpers so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet.

Geschichte und Entwicklung

Geothermische Energie wird seit über 10.000 Jahren genutzt. Unsere Vorfahren haben vermutlich geothermisches erwärmtes Wasser zum Kochen, Baden und Heizen verwendet. Frühe balneologische Anwendungen finden sich in den Bädern des Römischen Reiches, im Mittleren Königreich der Chinesen und der Ottomanen. In Chaudes-Aigues im Zentrum Frankreichs existiert das erste historische, geothermische Fernwärmenetz dessen Anfänge bis ins 14. Jahrhundert zurückreichen.

Zur Stromerzeugung wurde die Geothermie zum ersten mal in Lardarello in der Toskana eingesetzt. 1913 wurde dort von Graf Piero Ginori Conti ein Kraftwerk erbaut, in dem Wasserdampf-betriebene Turbinen 220 kW elektrische Leistung erzeugten. Heute werden dort 400 MW Strom in Italiens Energienetz eingespeist. Unter der Toskana treffen die nordafrikanische und die eurasische Kontinentalplatte aufeinander, was dazu führt, dass sich Magma relativ dicht unter der Oberfläche befindet. Dieses heiße Magma erhöht hier die Temperatur des Erdreiches soweit, dass eine wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme sinnvoll ist.

Heutige Nutzung

Geothermie ist neben der Wasserkraftnutzung weltweit die bedeutendste Erneuerbare Energie. Einen besonderen Beitrag leisten hierbei die Länder, die über hochenthalpie Lagerstätten verfügen. Dort kann der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergieversorgung des Landes erheblich sein.

In der Darstellung wird unterscheiden zwischen

Direkter Nutzung, beispielsweise zum Heizen und Kühlen und
Stromerzeugung.

Direkte Nutzung

Unter direkter Nutzung wird die Nutzung der Geothermie als Wärmeenergie verstanden. Im Gegensatz hierzu steht die Umwandlung der Geothermie in elektrischen Strom.

Im Jahr 2005 waren zur direkten Nutzung von Geothermie weltweit Anlagen mit einer Leistung von

27.842 MW (Megawatt) oder fast 28 GW (Gigawatt)

installiert. Diese haben Energie in der Größenordnung von

261.418 TJ/a (Terra Joule pro Jahr) oder 72.622 GWh/a (Giga Watt Stunden pro Jahr) geliefert.

Länder mit Energieumsätzen größer als 5.000 TJ/a sind dabei die folgenden:

Land	Energieumsatz/a
China	45.373 TJ/a
Schweden	36.000 TJ/a
USA	31.239 TJ/a
Island	23.813 TJ/a
Türkei	19.623 TJ/a
Ungarn	7.940 TJ/a
Italien	7.554 TJ/a
Neu Seeland	7.086 TJ/a
Brasilien	6.622 TJ/a
Georgien	6.307 TJ/a
Russland	6.243 TJ/a
Frankreich	5.196 TJ/a
Japan	5.161 TJ/a

Besonders hervorzuheben ist hier die Zahl für Schweden. Diese Land ist geologisch eher benachteiligt hat aber durch eine konsequente Politik und Öffentlichkeitsarbeit diesen hohen Anteil bei der Nutzung erneuerbarer Energien vorwiegend zum Heizen erreicht.

Stromerzeugung

Stromerzeugung aus Geothermie konzentriert sich traditionell auf Länder die über entsprechende Hochenthalpie- Lagerstätten verfügen (meist Vulkangebiete). In Ländern, die dies, wie Deutschland nicht haben, kann Strom bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, wie 100- 150 Grad erzeugt werden, oder es ist entsprechend tief zu bohren. Welweit ist geradezu ein Boom bei der Nutzung von Geothermie zur Stromerzeugung eingetreten. Die installierte Leistung beträgt 2005: 8.912 GW (Gigawatt) und damit werden 56.798 GWh/a elektrische Energie erzeugt.

Hochenthalpie

Die Stromerzeugung aus Geothermie ist traditionell in Ländern, die über Hochenthalpie- Lagerstätten verfügen, in den Temperaturen von mehreren hundert Grad in vegleichsweise geringen Tiefen (< 2000m) angetroffen werden. Die Lagerstätten können dabei, je nach Druck und Temperatur, Wasser oder Dampf dominiert sein. Bei modernen Förderungstechniken werden die ausgekühlten Fluide reinjiziert, so dass praktisch keine negativen Umweltauswirkungen, wie Schwefelgeruch, mehr auftreten.

In den letzten 5 Jahren wurde die Stromerzeugung stark ausgebaut. Auf Länder bezogen ergeben sich weltweit folgende Zuwächse für den Zeitraum 2000- 2005:

Land	Neu installierte Leistung
Italien	254 MW_e
Indonesien	250 MW_e
Mexico	198 MW_e
Kenia	92 MW_e
USA	60 MW_e
Russland	50 MW_e
Island	30 MW_e
Philippinen	22 MW_e
Costa Rica	18 MW_e

Bezogen auf die pro-Kopf Nutzung der Erdwärme ist Island heute Spitzenreiter mit (200 MW_e installierte Gesamtleistung, siehe hierzu Geothermale Energie in Island). Die USA führen dagegen mit einer installierten Gesamtleistung von 2.000 MW_e vor Indonesien.

Niederenthalpie

Niederenthalpie- Lagerstätten werden bisher weltweit wenig genutzt. Zukünftig werden sie an Bedeutung gewinnen, da diese Nutzung überall möglich ist und nicht spezielle geologische Bedingungen voraussetzt. Deutschland kann in dieser Technologie eine Fühererschaft übernehmen. Im November 2003 wurde in Neustadt-Glewe das erste dertartige geothermische Kraftwerk Deutschlands (Geothermie-Kraftwerk Neustadt-Glewe) in Betrieb genommen.

Aktuelle Situation in Deutschland

Auch in Deutschland müssen wir bei der Darstellung zwischen der direkten Nutzung und der Stromerzeugung unterscheiden. Die direkte Nutzung ist schon weit verbreitet, hat aber dennoch hohe Zuwachsraten. Die Stromerzeugung steckt noch in den Anfängen, jedoch sind eine Vielzahl von Kraftwerken im Bau oder in der Planung.

Potential

Die Geothermie ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Mit den Vorräten, die in unserem Planeten gespeichert sind, könnte im Prinzip der weltweite Energiebedarf gedeckt werden.

Aus den derzeit bekannten Ressourcen hydrothermaler Geothermie könnte laut bis zu 29 Prozent der in der Bundesrepublik benötigten Wärme bereitgestellt werden.

Die geothermische Stromerzeugung ist stark von den geologischen Gegebenheiten abhängig: Es müssen Wärmereservoirs mit hohen Temperaturen erschlossen werden. In Deutschland sind diese nur vorhanden, wenn man tief genug bohrt. Theoretisch kann überall eine Bohrung mit der nötigen Tiefe erfolgen. Mit Leistungsgrößen von 20 bis 50 MW könnten Heizkraftwerke etwa 30 Prozent des deutschen Stromverbrauchs bereitstellen. Die für den Betrieb erforderlichen Temperaturen zu erschließen, ist ein eher finanzielles und kein technisches Problem.

Direkte Nutzung

Im Breich der tiefen Geothermie gibt es in Deutschlan zurzeit 30 Installationen mit Leistungen über 100 kW. Dies leisten zusammen 105 MW. Die meisten dieser Einrichtungen stehen im

Norddeutschen Becken, in der
Süddeutschen Molasse oder im
Oberrheingraben.

Der norddeutsche Raum verfügt geologisch bedingt über ein großes Potential geothermisch nutzbarer Energie in thermalwasserführenden Porenspeichern des Mesozoikums in einer Tiefe von 1.000 bis 2.500 m mit Temperaturen zwischen 50 und 100°C.

Zusätzlich gibt es in Deutschland mehr als 50.000 oberflächennahe Geothermieanlagen, bei denen Wärmepumpen zum Anheben der Temperatur eingesetzt werden. Diese haben zusammen eine Leistung von mehr als 500 MW. Der Oberrheingraben bietet deutschlandweit besonders gute geologische Voraussetzungen (u.a. Temperatur, Wärmefluss, Struktur im Untergrund). An verschiedenen Standorten sind Projekte in Planung und im Bau. Für viele Regionen sind bereits Konzessionen erteilt worden. Untersucht wird zum Beispiel, ob in das Fernwärme-Netz der Ruhr-Universität und der Fachhochschule Bochum Erdwärme eingespeist werden kann.

Baden-Württemberg hat genau wie Nordrhein Westfalen ein Förderprogramm für Erdwärmesonden-Anlagen für kleine Wohngebäude aufgelegt, mit einer Förderung der Bohrmeter, siehe Weblinks.

Stromerzeugung

In Deutschland ist im November 2003 das erste geothermische Kraftwerk in Neustadt/Glewe (Mecklenburg-Vorpommern) in Betrieb genommen worden. In einer Tiefe von 2.250 Metern wird etwa 97°C heißes Wasser gefördert und zur Strom- und Wärmeversorgung genutzt. Die Leistung des Kraftwerks beträgt bis zu 230 kW (Quelle: Erdwärme-Kraft GbR). Im Jahr 2004 betrug die erzeugte Strommenge 424.000 Kilowattstunden (Quelle: AGEE-Stat/BMU), angestrebt sind jährlich ca. 1,2 Millionen Kilowattstunden. Die Inbetriebnahme stellt einen Meilenstein in der Entwicklung der geothermischen Stromerzeugung dar, dem weitere Projekte folgen werden. Der Bau von Geothermiekraftwerken erlebt in Deutschland zurzeit geradezu einen Boom. Viele Kraftwerke sind im Bau oder in der Planung. Die meisten Geothermiekraftwerke sind im Oberrheintal und in der oberbayrischen Molasse im Bau oder in der Planung. Das Landesoberbergamt hat dort bis 2005 fast 50 Aufsuchungsgenehmigungen vergeben.

Ein erfolgreicher Abschluss der Forschung zur Nutzung tief liegender weitgehend wasserundurchlässiger Gesteine wird die Möglichkeiten zur Stromerzeugung weiter drastisch erhöhen. Eine Studie des Deutschen Bundestages gibt das Potential der Stromproduktion mit 10**21 Joule an.

Zukunft

Die Geothermie-Branche rechnet in Deutschland mit einem jährlichen Wachstum von 14 Prozent. Im laufenden Jahr (Stand: März 2005) werden sich der Umsatz auf etwa 170 Millionen Euro und die Investitionen auf 110 Millionen Euro belaufen. Etwa 10.000 Menschen arbeiten bereits direkt oder indirekt für die geothermische Energieversorgung.

Gewinnung von Erdwärme

Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der

Tiefe Geothermie zur direkten Nutzung meist zum Heizen und Kühlen oder auch zur Stromerzeugung und der
Oberlächennahe Geothermie zur direkten Nutzung

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 pro Kilometer Tiefe eine Temperaturerhöhung von 35 °C bis 40 °C (geothermische Tiefenstufe). Die geothermische Tiefenstufe ist jedoch regional sehr unterschiedlich. Abweichungen vom Standard werden als Wärmeanomalien bezeichnet. Interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höcheren Temperaturen. Hier können die Temperauren schin in geringer Tiefe meherer hundert Grad betragen. Deratige Anomalien sind häufig an Vulkanaktivität geknüpft. In der Geothermie gelten sie als Hochenthalpe Lagerstätten. Sie werden weltweit zur Stromerzeugung genutzt.

Hochenthalpie Lagerstätten

Die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von hochenthalpie Lagerstätten dominiert. Diese sind Wärmeanomalien die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen. Hier sind mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern. Die folgende Tabelle gibt hierzu einen Überblick:

Land	Anzahl der Vulkane	Resource
USA	133	23.000 MW_e
JAPAN	100	20.000 MW_e
Indonesien	126	16.000 MW_e
Philippinen	53	6.000 MW_e
Mexiko	35	6.000 MW_e
ISLAND	33	5.800 MW_e
Neuseeland	19	3.650 MW_e
Italien (Toskana)	3	700 MW_e

Abhängig von den Druck und Temperatur Bedingungen können hochenthalpie Lagerstätten mehr Dampf oder mehr Wasser dominiert sein. Früher wurde der Dampf nach der Nutzung in die Luft entlassen, was zu erheblichem Schwefelgeruch führen konnete (Italien, Ladarello). Heute werden die abgekühlten Fluide in die Lagerstätte reinjiziert. So werden negative Umwelteinwirkungen vermieden und gleichzeitig die Produktivität durch Aufrechterhalten eines höheren Druckniveaus in der Lagerstätte verbessert.

Niederenthalie Lagerstätten

Auch in nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund noch sehr unterschiedlich sein. In der Regel sind jedoch, wenn für die Nutzung höhere Temperaturen gebraucht werden, tiefe Bohrungen nötig. Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung werden Temperaturen über 100 Grad gebraucht. Liegen diese in einem Aquifer vor, so kann aus diesem Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden. Man spricht dann von Hydrothermaler Geothermie. Ist das Gestein, in dem die hohen Temperaturen angetroffen wurden wenig permeabel, so dass aus ihm kein Wasser gefördert werden kann, so kann man dort auf einem künstlichem Risssystem Wasser zirkulieren lassen. Eine weitere Möglichkeit, bei der allerdings vergleichsweise wenig Energie extrahiert wird ist eine tiefe Erdwärmesonde, wo das Wasser nur innerhalb der Sonde zirkuliert (geschlossenes System).

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

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). Eine neutrale Bezeichnung ist Petrothermale Systeme.
Tiefe Erdwärmesonden; das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde

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. HDR-Verfahren befinden sich derzeit in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forêts im Elsass in der Erprobung. In SE-Australien (Cooper Basin, New South Wales) ist seit 2001 ein kommerzielles Projekt im Gange (Firma Geodynamics Limited).

Hydrothermale Systeme

Für die hydrothermale Geothermie werden in großen Tiefen natürlich vorkommende Thermalwasservorräte, sogenannte Heißwasser-Aquifere (Wasser führende Schichten) angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme oder Strom möglich.

Petrothermale Systheme

Die in trockenen, heißen Gesteinsschichten (Hot Dry Rock) gespeicherte Energie kann zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Um die Wärme dieser Gesteine nutzen zu können, müssen sie von einem Wärmeträger durchflossen und anschließend an die Oberfläche gebracht werden. Das durch die heißen Gesteinsschichten erhitzte Wasser kann zur Bereitstellung von Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Besonders interessant ist die Erzeugung von Strom aus dem heißen Dampf. Hierfür wird das im Untergrund erhitzte Wasser dazu genutzt, eine Turbine anzutreiben. Der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem steht so unter Druck, dass ein Sieden des eingepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst an der Turbine entsteht.

Das in der Tiefe vorhandene heiße Gestein wird über Bohrungen erschlossen. Hierbei gibt es mindestens eine Förder- und eine Verpressbohrung, welche durch einen geschlossenen Wasserkreislauf verbunden sind. Zu Beginn wird Wasser mit enorm hohem Druck in das Gestein gepresst (hydraulische Stimulation); hierdurch werden Fließwege aufgebrochen oder vorhandene aufgeweitet und damit die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht. Dieses Vorgehen ist notwendig, da sonst die Wärmeaustauschfläche und die Durchgängigkeit zu gering wären. Das so geschaffene System aus natürlichen und künstlichen Rissen bildet einen unterirdischen, geothermischen Wärmetauscher. Durch die Injektions-/ Verpressbohrung wird Wasser in das Kluftsystem eingepresst, wo dieses zirkuliert und sich erhitzt. Anschließend wird es durch die zweite Bohrung, die Produktions-/Förderbohrung, wieder an die Oberfläche gefördert.

Tiefe Erdwärmesonden

Die Tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur Erdwärme Gewinnung. Sie besteht aus einer tiefen (2000-3000m) Bohrung in der ein Fluid zirkuliert, in der Regel in einem koaxialen Rohr. In einem dünneren Innenrohr fließt die kalte Flüssigkeit nach unten, in dem größeren Außenrohr die erwärmte Flüssigkeit wieder hoch. Derarige Erwärmesonden haben gegenüber offenen Systemen den Vorteil, dass kein Kontakt zum Grundwasser besteht. Sie sind an jedem Standort möglich. Ihre Entzugsleistung hängt neben technischen Parametern von den Gebirgstemperaturen und der Leitfähigkeiten des Gesteins ab. Sie wird jedoch nur einige hundert kW sein und somit wesentlich kleiner als bei einem vergleichbaren offenen System. Dies liegt daran, dass die Austauschfläche mit dem Gebirge sehr klein ist, da sie praktisch der Mantelfläche der Bohrung entspricht.

Neue Tiefe Erwärmesonden werden zurzeit (2005) in Aachen (Universität) und Arnsberg (Freizeitbad Nass) gebaut.

Alernativ zur Zirkulation von Wasser (eventuel mit Zusätzen) in der Erdwärmesonde sind auch Sonden mit Direktverdampfern vorgeschlagen worden. Diese können auch als Heatpipes oder Wärmerohre bezeichnet werden. Als Arbeitsmittel kann entweder eine Füssigkeit mit einem entsprechend niedrigen Siedepunkt verwendet werden, oder ein Gemisch beispielsweise aus Ammoniak und Wasser. Eine derartige Sonde kann auch unter Druck und dann beispielsweise mit Kohlendioxid betrieben werden. Deratige Sonden können eine höhere Entzugsleistung haben als konventionelle Sonden, da sie auf ihrer gesamten Länge die Verdampungstemperatur des Arbeitsmitels haben können.

Oberflächennahe Geothermie

Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark. Mit zunehmender Tiefe nehmen diese Temperaurschwankungne schnell ab, und in 5-10m Tiefe entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch der Jahresmitteltemperatur des Standortes. Mit weiter zunehmender Tiefe steigt die Temperaur entsprechend der Geothermischen Tiefenstufe an. Auch diese ist standortabhängig.

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. 8-10°C in Deutschland).

Mittels Erdwärmesonden (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme), aber auch mit erdgebundenen Beton-Bauteilen 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.

Sonstige Formen der Gewinnung

Bergwerke und ausgeförderte Erdgaslagerstätten, die wegen der Erschöpfung der Vorräte stillgelegt werden, sind denkbare Projekte für Tiefengeothermie. Dies gilt eingeschränkt auch für tiefe Tunnelbauwerke. Die dortigen Formationswässer sind je nach Tiefe der Lagerstätte 60 bis 120 °C heiß, die Bohrungen oder Schächte sind oft noch vorhanden und könnten nachgenutzt werden, um die warmen Lagerstättenwässer einer geothermischen Nutzung zuzuführen.

Derartige Anlagen zur Gewinnung der geothermischen Energie müssen so in die Einrichtungen zur Verwahrung des Bergwerks integriert werden, dass die öffentlich rechtlich normierten Verwahrungsziele, das stillgelegte Bergwerk (§ 55 Absatz 2 Bundesberggesetz und § 69 Abs. 2 Bundesberggesetz) gefahrenfrei zu halten, auch mit den zusätzlichen Einrichtungen erfüllt werden.

Saisonale Wärmepeicher

Geothermie steht immer, also unabhängig von der Tages- und Jahreszeit und auch unabhängig vom Wetter zur Verfügung. Optimal wird eine Anlage dann arbeiten wenn sie auch dementsprechend zeithomogen genutzt wird. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn im Winter geheizt und im Sommer gekühlt wird und die hierzu nötigen Energiemengen etwa gleich sind. Beim Kühlen im Sommer ergibt sich dabei eine Erwärmung des Reservoirs und damit dessen Regeneration. Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Alagen z.B. Solarthermie kombiniert wird. Solarthermie stellt Wärme vorwiegend im Sommer zur Verfügung, wenn sie weniger gebraucht wird. Durch Kombination mit Geothermie läßt sich diese Energie im Sommer in das unterirdische Wärmereservoir einspeisen und im Winter wieder abrufen. Die Verluste sind standortabhängig, aber in der Regel gering.

Saisonale Speicher können sowohl oberflächennah, als auch tief ausgeführt werden. Sogenannte Hochtemperatur Speicher (<50 Grad) sind allerding nur in größerer Tiefe denkbar. Beispielsweise verfügt das Reichstagsgebäude über einen derartige Speicher.

Nutzung von Erdwärme

Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen Direkter Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst und der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk. Aus der Sicht der Optimierung von Wirkungsgraden sind auch hier Kraftwärmekopplungen (KWK) optimal. Das Problem sind hierbei die Abnehmer der Wärme. Nicht an jedem Kraftwerksstandort werden sich Abnehmer für die Wärme finden lassen. Die Forderung nach ausschließlich KWK- Projekten beibt ein Wunschtraum.

Direkte Nutzung

Wärme wird in unserer Gesellschaft in vielfacher Weise gebraucht (Wärmemarkt). Eine klassische Darstellung der dabei benötigten Temperaturen gibt das Lindal Diagramm:

Nutzungsart	Temperatur °C
Einkochen und Verdampfen, Meerwasserentsalzung	120
Trocknung von Zementplatten	110
Trocknung von organischen Material wie Heu, Gemüse, Wolle	100
Lufttrocknung von Stockfisch	90
Raumheizung (klassisch)	80
Kühlung	70
Tierzucht	60
Pilzzucht, Balneologie, Gebrauchtwarmwasser	50
Bodenheizung	40
Schwimmbäder, Eisfreihaltung, Biologische Zerlegung, Gärung	30
Fischzucht	20
Natürliche Kühlung	<10

Auffällig ist, dass für die meisten Anwendungen relativ niedrige Temperaturen benötigt werden. Aus Tiefer Geothermie können häufig die benötigten Temperaturen direkt zur Verfügung gestellt werden. Reicht dies nicht so sind die Temperturen durch Wärmepumpen anzuheben. Generell gilt dies für die Oberfächennahe Geothermie. Hier sind nur wenige Anwendungen ohne Wärmepumpe möglich. Die wichtigste ist die Natürliche Kühlung, bei der Wasser mit der Temperatur des flachen Untergrundes, also der Jahremitteltemperatur des Standortes, direkt zur Gebäudekühlung verwendet wird. Diese natürliche Kühlung kann weltweit Millionen von elekrisch betriebenen Klimageräten ersetzen. Eine weitere direkte Anwendung ist das Eisfreimachen von Brücken und Straßen. Auch hier wird keine Wärmepumpe benötigt, denn der Speicher wird durch Abführung und Einspeicherung der Wärme von der heißen Fahrbahn im Sommer regeneriert.

Für die Wärmenutzung aus Tiefer Geothermie eignen sich niedrigthermale Tiefengewässer mit Temperaturen zwischen 40 und 100°C, wie sie vor allem im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen Tiefebene vorkommen. Das Thermalwasser wird gewöhnlich aus 1.000 bis 2.500 Metern Tiefe über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, gibt den wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie per Wärmetauscher an einen zweiten, den "sekundären" Heiznetzkreislauf ab. Ausgekühlt wird es über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund verpresst, und zwar in die Schicht, aus der es entnommen wurde.

Ein Übersicht über die tatsächlich direkte Nutzung von Erdwärme gibt die folgende Zusammenstellung für 2005:

Nutzungsart	Energie in TJ/a
Wärmepumpen	86.673
Bäder	75.289
Raumheizung	52.868
Gewächshäuser	19.607
Industrie	11.068
Landwirtschaft	10.969
Trocknung (Landwirtschaft)	2.013
Kühlen, Schneeschmelzen	1.885
Ander Nutzung	1.045
Total	261.418

Auffällig ist unter anderem die bisher relativ geringe Nutzung zum Kühlen. Hier ist mit hohen Zuwachsraten zu rechnen.

Stromerzeugung

Bei der hydrothermalen Stromerzeugung sind Wassertemperaturen von mindestens 100°C notwendig. Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen über 150°C können direkt zum Antreiben einer Turbine genutzt werden. In Deutschland liegen allerdings die üblichen Temperaturen geologischer Warmwasservorkommen niedriger. Lange Zeit wurde Thermalwasser daher ausschließlich zur Wärmeversorgung im Gebäudebereich genutzt. Neu entwickelte ORC- Anlagen (Organic Rankine Cycle) ermöglichen allerdings eine sinnvolle Nutzung von Temperaturen ab 80°C zur Stromerzeugung. Diese arbeiten mit einem organischen Medium, das bei relativ geringen Temperaturen verdampft. Dieser Dampf treibt über eine Turbine den Stromgenerator an. Eine Alternative zum ORC-Verfahren ist das KALINA-Verfahren. Hier werden Zweistoffgemische, so zum Beispiel aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsmittel verwendet. Das KALINA- Verfahren steht derzeit noch am Beginn der Entwicklung, verspricht aber einen höheren Wirkungsgrad und niedrigere Stromgestehungskosten.

Ökonomische Aspekte

Unter ökonomischen Gesichtspunkten ist zu fragen warum die überall vorhandene und vom Energieangebot her kostenlose Geothermie nicht noch intensiver genutzt wird.

Ein Grund liegt darin begründet, dass sowohl der Wärmestrom, mit ~0,06 Watt/m² als auch die Temperatutzunahme mit der Tiefe, mit ~3°C/100 m in den zugänglichen Teilen der Erdkruste, von besonderen Standorten abgesehen, so gering sind, dass sich eine wirtschaftliche Nutzung in der Vergangenheit nicht darstellen lies. Durch das Bewusstwerden des $CO_{2}$ -Problems und der absehbaren Verknappung der fossilen Energieträger setzte eine stärkere geologische Erkundung und technische Weiterentwicklung der Geothermie ein.

Da die eigentliche Energie, die Geothermie nichts kostet, wird die Wirtschaftlichkeit einer Geothermienutzung absolut gesehen von den Investitionskosten (Zinsen) und Unterhaltskosten der Anlagen bestimmt, realiv gesehen durch den Vergleich mit den steigenden Preisen fossiler Energien. Unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen (Erneuerbares Energien Gesetz) ist eine Wirtschaftlichkeit bei größeren Geothermieanlagen auch in Deutschland in vielen Gebieten, wie in z.B. Oberbayern, Oberrheingraben und Norddeutsches Becken, erreichbar. Grundsätzlich sind größere Geothermieanlagen (über 0,5MW und mit einer Tiefe von mehr als 500 m) immer mit gewissen Fündigkeitsrisiken behaftet, da die tieferen Erdschichten eben nur punktuell und oft in geringem Ausmaß erkundet sind. Deibei lassen sich die anzutreffenden Temperaturen meist recht gut prognostizieren, die bei hydrothermalen Anlagen aber besonders relevanten Schüttmengen sind jedoch häufig nicht gut vorhersehbar. Neuerdings werden allerdings Risikoversicherungen dazu angeboten.

Die oberflächennahe Erdwärmenutzung für die Heizung von Gebäuden mittels einer Wärmepumpe ist heute schon konkurrenzfähig. Solche Anlagen bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Erdwärmesonde(n), einer Wärmepumpe und einem Heizkessel. Das Wärmeangebot im Erdreich (Tiefe: 50-150m) von ca. 10-15°C wird dabei durch die Wärmepumpe auf die erforderliche Vorlauf-Temperatur des Heizsystems gebracht. Beispiel:

Unter Einsatz von 1KW Strom werden ca. 4KW Heizwärme gewonnen. (= Arbeitszahl 4).

Die $CO_{2}$ -Bilanz von Erdwärmesondenheizungen ist bei hohen Arbeitszahlen sehr positiv. Es werden, gegenüber einer Ölheizung, zwischen 40-70% an $CO_{2}$ vermieden. Dabei sind die Investitionskosten höher als bei einer konventionellen Öl- oder Gasheizung. Die Unterhaltskosten incl. Stromverbrauch sind aber sehr niedrig. So dass sich pauschal, über 10-12 Jahre gerechnet, ca. 50% niedrigere Gesamtkosten (Investition und Verbrauch) ergeben. Die veränderte Situation hat dazu geführt, dass alleine 2004 etwa 10.000 neue Anlagen in Deutschland errichtet wurden und der Bestand 50.000 übersteigt. Schweden zeigt jedoch, dass dies noch um Großenordnungen mehr sein könnten.

Bei den Betriebskosten spielt die Haltbarkeit der Anlagen gegen Verschleiß (z.B. bewegte Teile einer Wärmepumpe oder eines Stirlingmotors) eine Rolle. Insbesonder können Probleme durch Korrosion aggressiver Wässer entstehen (alle Teile in der Erde und die Wärmetauscher). Diese anfänglich bedeutenden Probleme sind jedoch heute weitgehend gelöst.

Ökologische Aspekte

Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit und der ökologischen Qualität. Sie ist zwar im strengen Sinne nicht vollständig regenerativ, aber ihr Potenzial ist sehr groß. 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. Da die Geothermie neben der Biomasse die einzige regenerative Energie ist, die bei der Stromerzeugung Grundlastfägig ist, leistet sie einen entscheidenden Beitrga bei der Gestaltung eines Energiemix aus regenerativen Energien. Nach den Vorstellungen der Branche werden durch Geothermie bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen CO2 eingespart. Die Kosten für eine Tonne CO2 Einsparung liegen bei 70 €/t (Vergleich: Fotovoltaik 2.210 €/t).

Siehe auch

Literatur

Geothermische Vereinigung (Hrsg.): Erdwärme zum Heizen und Kühlen. Potentiale, Möglichkeiten und Techniken der Oberflächennahe Geothermie. Kleines Handbuch der Geothermie. Band 1. Red.: Sanner, B. & Bußmann, W., 113 S., Geeste, 3. überarbeitete Auflage Oktober 2001
Eugster, W.J. & L. Laloui (Hrsg.): Geothermische Response Tests, Verlag der Geothermischen Vereinigung, 130 Seiten, Geeste 2002,
Geothermische Vereinigung & GeoForschungsZentrum Potsdam (Hrsg.): Start in eine neue Energiezukunft. Tagungsband 1. Fachkongress Geothermischer Strom 12.-13.11.2003, Neustadt-Glewe, Geeste November 2003
Huenges, Ernst: Energie aus der Tiefe: Geothermische Stromerzeugung. Physik in unserer Zeit 35(6), S. 282 – 286 (2004), ISSN 0031-9252

Weblinks

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