Erdwärme – Geothermie

In Zeiten zunehmender Erwärmung des Erdklimas wird verstärkt nach Energieformen gesucht, die nicht zum Treibhauseffekt beitragen. Heute beträgt der Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland erst rund 2 Prozent bezogen auf die Primärenergie und rund 5 Prozent bezogen auf die Stromerzeugung.

Als Etappenziel strebt die Bundesregierung die Verdopplung dieses Anteils bis 2010 an. Danach sollen die erneuerbaren Energien pro Dekade um etwa 10 Prozent hinzugewinnen, so dass Anteile von 30 Prozent bis 2030 und 50 Prozent im Jahr 2050 erreicht werden.

Einleitung

Erdwärme - Geothermie

Der Ausbau und die Nutzung der natürlich vorkommenden Energieressourcen muss selbstverständlich umweltgerecht erfolgen und kann sich bei den derzeitigen Rahmenbedingungen noch nicht von alleine vollziehen.

Es wird eine aktive Strategie von Politik, Wirtschaft und gesellschaftlichen Gruppen, sowie Einzelakteuren benötigt um den Ausbau der regenerativen Energien im Hinblick auf Klimaschutz und Nachhaltigkeit deutlich zu beschleunigen.

Eine Möglichkeit der Wärmegewinnung, ohne zusätzliche Emission von Treibhausgasen ist die Erdwärme. Die Erdwärme kann sowohl für die Stromerzeugung, als auch direkt zur Erwärmung von Heiz- oder Warmwasser genutzt werden. Sie gilt als unerschöpfliche Energiequelle, da die Wärme im Erdinneren fast ausschließlich durch den Zerfall radioaktiver Isotope entsteht.

Allein der nach außen gerichtete Wärmestrom weist an der Erdoberfläche mit einem Energiegehalt von ca. 0,06 W/m² eine Energiedichte auf, die derzeit aber technisch noch nicht nutzbar ist.

Die thermische Energie der gesamten Erde wird auf 35×10²³ kWh geschätzt, das ist etwa das Millionenfache des Wärmeinhaltes aller fossilen Lagerstätten. Mit der heutigen Technik erschließbare Reserven übersteigen sämtliche fossilen Reserven (Kohle, Erdöl und Erdgas) zusammengenommen um immerhin noch das Dreißigfache.

Die Temperatur im Erdkern wird mit ca. 6000°C angenommen, sie nimmt nach außen hin ab. Die Verteilung dieses Wärmeflusses ist jedoch ungleich. Welche Nutzung und Methode der Geothermie in Frage kommt, ist also abhängig von den Ressourcen am jeweiligen Ort.

Vorkommen von Erdwärme

Um einen ersten Eindruck zu erhalten, ob und wie weit ein Verzicht auf konventionelle Energiegierträger möglich ist, ist es notwendig festzustellen, welchen Beitrag erneuerbare Energiequellen in der Zukunft, speziell in Deutschland leisten können.

In Mitteleuropa gibt es keine Dampf- oder Heißwasserlagerstätten, denn diese befinden sich gewöhnlich in den vulkanisch gebundenen Zonen des Planeten, wie z.B. in San Fransisco, Mexiko, Kenia, El Salvador… .
Aber heiss genug ist der Untergrund auch bei uns. Man muss nur tief genug bohren um auf Temperaturen zu stoßen, die sich für die Stromgewinnung oder Warmwasserversorgung, Beheizung etc. eignen.

Die Geothermie nutzt durch Tiefenbohrungen die Erdwärme selbst. Der Temperaturanstieg beträgt in der Regel ca. 30°C pro 1000m (bezogen auf die obere Erdkruste). In Gebieten, wo geothermische Anomalien vorherrschen, werden ca. 100°C pro 1000m Tiefe erreicht, was diese Standorte für geothermische Kraftwerke besonders geeignet macht.

Bei der Nutzung von Aquiferen (wasserführende Schichten im Untergrund) unterscheidet man heiße Aquifere (über 100°C), warme Aquifere (40-100°C), sowie niedrig temperierte Aquifere (unter 40°C). Einzig die heißen Aquifere sind zur Produktion elektrischer Energie geeignet.

Um solche Thermalwässer mit einem wirtschaftlich interessanten Temperaturniveau (>40°C) anzutreffen, sind in Deutschland überwiegend Bohrtiefen von mindestens 1000m notwendig. Eine Ausnahme bildet die Region des durch spezielle geothermische Bedingungen gekennzeichneten Oberrheingrabens.

Erschliessung

Ausschlaggebend für den Bau und den Betrieb von geothermischen Anlagen, sind die örtlichen geologischen Gegebenheiten, die Erschließbarkeit und natürlich der Bedarf der Energie.

Erschlossen werden geothermische Energien durch Erdbohrungen und dem Einsatz von Förderpumpen und Erdwärmesonden. Unterschieden werden muss in ,,oberflächennaher“ und ,,tiefer“ Geothermie. Tiefe Geothermie umfasst Bohrungen von 500-5000m Tiefe, bei Temperaturen bis etwa 200°C. Nur bei größeren Objekten ist die Erschließung überhaupt wirtschaftlich vertretbar.

Oberflächennahe Geothermie mit Bohrungen bis 500m erschließt Wärmeenergie bis max. 40°C. Durch den Einsatz von Erdwärmesonden und Wärmepumpen lassen sich damit Niedrigtemperaturanlagen für Heizungen und Brauchwassererwärmungen betreiben, die zu 90 Prozent in Privathaushalten und bei Kleinverbrauchern verwandt werden.

Geothermische Anlagen

Bei der ,,tiefen“ Geothermie kommen 3 Verfahrensarten zum Einsatz:

1. Erdwärmesonden

In Tiefen von 500-2000m Tiefe, wo Temperaturen von bis zu 70°C herrschen. Das sich in den Sonden befindende zirkulierende Wasser erwärmt sich und kann an der Oberfläche entweder direkt oder mit nachgeschalteten Wärmepumpen zur Energiegewinnung für Heizung und Wassererwärmung genutzt werden. Das relativ hohe Energiepotential bedingt aber große Wärmeverbraucher, wie z.B. Mehrfamilienhäuser, Wohn- und Industriekomplexe oder Gewächshäuser.

2. Hydrothermale Geothermie (Wärmenutzung aus Thermalwasser)

Man kann hierbei die Wärme natürlich herausfließender oder durch Bohrungen erschlossener Thermalwässer verwenden. Bei dieser Methode besteht aber auch der Nachteil, eher von den Wassermengen als von den Wärmevorräten abhängig zu sein.

Diese Wässer sind für folgende Zwecke nutzbar:

  • Heizung
  • Warmwasserversorgung
  • Gewächshäuser
  • Bewässerung

geordnet nach Abnahme der benötigten Temperatur.

Über eine Pumpe und/oder Wärmetauscher und ggf. über nachgeschaltete Wärmepumpen wird das Wasser an die Oberfläche gebracht um so sinnvoll genutzt werden zu können. In der Regel wird das abgekühlte Wasser aufgrund seines hohen Mineralgehalts über eine zweite Tiefenbohrung zurückgeführt. Dies ist der Stand der Technik und in Deutschland gut erschließbar.

In zwei europäischen Ländern wird die geothermale Energie für diese Zwecke in größerem Rahmen genutzt, in Island und in Ungarn. Beide Gebiete, vor allem natürlich Island zeichnen sich durch erhöhten Wärmefluss aus.

In Reykjavik werden etwa 87 Prozent der Häuser mit Heißwasser aus einem geothermischen Feld versorgt, das Wasser von 128°C liefert. Auch Provinzstädte in Island haben ähnliche kombinierte Heiz- und Warmwasseranlagen. Nahezu die Hälfte der isländischen Bevölkerung heizt mit Erdwärme.

Daneben gibt es ausgedehnte Nutzung für industrielle Zwecke und Gewächshäuser, die einen sehr wichtigen Beitrag zur Versorgung der Bevölkerung mit Frischgemüse und Obst leisten. Während in Island als vulkanisches Gebiet diese Energiemengen natürlich erwartet werden können, ist es zunächst überraschend, dass auch unter der Ungarischen Tiefebene, fern den heutigen Vulkanen, große geothermale Energiereserven vorhanden sind. Sie werden zielstrebig genutzt, indem durch Tiefbohrungen gefördertes Wasser, also praktisch fossiles Thermalwasser verwendet wird.

Besonders in Südungarn ist diese Nutzung intensiv, wenn sie auch prozentual nicht so sehr ins Gewicht fällt. Angestrebt wird eine vierstufige Nutzung, d.h. ein einmal gefördertes Thermalwasser wird allen vier Verwendungsarten in der oben genannten Reihenfolge nacheinander zugeführt. Dies gewährleistet eine volle Ausnutzung des Bodenschatzes, wird aber meist nicht konsequent durchgeführt; man begnügt sich gewöhnlich mit der Ausnutzung von ein bis zwei dieser Verwendungsmöglichkeiten an einem Ort.

Außer diesen Ländern wird geothermale Primärenergie in der ehemaligen UdSSR, Japan und Neuseeland intensiver, aber mehr im lokalen Rahmen genutzt. In Österreich werden schon seit langem die warmen Quellen entlang der ,,Thermallinie“ im Wiener Becken, zum Beispiel in Baden und Bad Vöslau genutzt. In Deutschland gibt es noch wesentlich wärmere Quellen in Baden Baden mit 67°C. Ansonsten finden wir in der BRD noch andere geothermische Anomalien – also ungewöhnlich warmer Boden – in der Gegend von Bad Urach und Landau.

3. Hot-Dry-Rock-Methode

Wo kein natürliches Grundwasser zur Verfügung steht, kann die Hot-Dry-Rock-Methode zur Anwendung kommen. Diese Idee, Strom und Wärme aus dem tiefen und trockenen Gestein (also ortsungebunden) des Erdinneren zu produzieren geht auf amerikanische Überlegungen aus den siebziger Jahren zurück.

Ziel ist es, unabhängig von Anomalien die Erzeugung von Strom mit Hilfe eines innovativen Verfahrens zu Erzeugen. Man hat rausgefunden, dass man nur tief genug bohren muss, um auf Temperaturen zu stoßen, die sich für die Stromgewinnung eignen.

Das daraus entwickelte Hot-Dry-Rock-Verfahren klingt denkbar einfach. Über Bohrungen in Tiefenbereichen von 3000-7000m wird das heiße Gestein erschlossen. Zwischen den Bohrungen werden mit Wasserdruck, also hydraulisch Fließwege aufgebrochen, oder vorhandene aufgeweitet, wodurch eine Art unterirdischer Wärmetauscher entsteht. Dieses in der Tiefe erwärmte Wasser wird nun wieder nach oben gefördert, wo dann der Wasserdampf eine Turbine antreibt, die schließlich elektrischen Strom erzeugt. Die Zirkulation des Wassers erfolgt in einem geschlossenen Kreislauf.

Ein nach heutigen Maßstäben wirtschaftlich zu betreibendes HDR-Kraftwerk muss eine Leistung zwischen 25 und 100 MWh über einen Zeitraum von 20 Jahren garantieren.

Unter Deutschland in Tiefen zwischen 3000-7000m steht ca. 90000 EJ an geothermischer Energie zur Verfügung. Das reichte ohne Berücksichtigung einer Erneuerung der Wärmeproduktion von unten aus, um den Energiebedarf des Landes für 10000 Jahre komplett zu decken. (Quelle: www.geothermie.de)
HDR-Kraftwerke sind mit ca. 20-50 MW installierter Leistung relativ kleine, saubere und in ihren Auswirkungen für die Umgebung ungefährliche Kraftwerke, die zudem wie alle geothermischen Anlagen wenig Platz benötigen: der wichtigste Teil liegt nämlich unter der Erde.

Energiepfahlsysteme (Pfahlbauermethode mit Zukunft)

Eine weitere Technik sind Energiepfähle, das sind Gründungspfähle von Gebäuden, ausgestattet mit integrierten Wärmetauschern. Das Besondere an Energiepfahlsystemen ist die ökologische und wirtschaftlich interessante Doppelnutzung von erdberührten Betonteilen für Fundation und gleichzeitiger Wärme- oder Kälte Energiegewinnung.

Als Wärmetauscher werden in der Regel flexible Kunststoffrohre verwendet. Bei all diesen Fundationsarten wird das Rohrsystem über einen Wasserkreislauf – mit Zwischenschaltung einer Wärmepumpe – an das Heiz- beziehungsweise Kühlsystem des Gebäudes angeschlossen. Dadurch wird das Erdreich unterhalb des Gebäudes im Winter als natürlicher Wärmelieferant genutzt.

Im Sommer sind solche Systeme zudem für Prozesskühlung und sanfte Klimatisierung einsetzbar. In diesem Fall wird Wärme aus dem Bauobjekt in das Erdreich abgeführt und für eine Winternutzung gespeichert. Die Speichertechnik ist künftig bei integrierten regenerativen Energiesystemen von größter Bedeutung. Sie wird ein Schwerpunkt in den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sein.

Vorteile der Geothermie gegenüber anderen Energiequellen

  • Geothetrmie steht unabhängig von Witterung, Tag- und Nachtzeiten immer bedarfsgerecht zur Verfügung.
  • Ist praktisch unerschöpflich und damit „nachhaltig“, d.h. die Bedürfnisse der heutigen Generation können befriedigt werden, ohne die Verfügbarkeit dieser Energie für künftige Generationen zu beeinträchtigen.
  • Ist nahezu überall verfügbar und muss somit nicht über lange Wege zum Verbraucher transportiert werden – Geothermie ist Energie vor Ort.
  • Ist ein Beitrag zum Klimaschutz, denn sie erzeugt weder Luftschadstoffe noch SO2 und ist somit ein idealer Ersatz für fossile Energieträger.
  • Ist eine einheimische, krisensichere Energiequelle, unabhängig von Heizöl- und Erdgaslieferungen aus ausländischen Krisengebieten.
  • Hat nur geringe Betriebskosten; es fallen keine Heizöl- oder Gaskosten an.
  • Geothermische Anlagen beanspruchen wenig Platz : der wichtigste Teil liegt unter der Erde.
  • Durch Umkehr des Kreislaufs kann das Bauwerk z.B. gekühlt werden.

Umweltprobleme

Die Elektrizitätserzeugung aus Erdwärme wirft nicht unbeträchtliche Umweltprobleme auf. Am wenigsten noch das Projekt „Hot-Dry-Rock“. Hier bedeuten Sprengungen und Abkühlung in der Tiefe eine gewisse Erdbebengefahr, die allerdings nicht hoch eingeschätzt werden muss.

Besondere Probleme erwachsen bei den Kraftwerken, die heißes Wasser aus dem Untergrund fördern. Diese enthalten oft in großen Mengen gelöste Salze, oft in weit höheren Konzentrationen als im Meerwasser. Auch noch bei der Verwendung einer 2 %-igen Salzlösung würde ein 1000 MW Kraftwerk 12000t Salz mitfördern.

Die häufige Beimischung anderer Substanzen wie Bor erhöht die Schwierigkeit der Beseitigung. Entweder muss das Wasser vor der Ableitung entsalzt werden, o der es muss durch Bohrlöcher wieder in die Tiefe versenkt werden.

Diese Methode, die derzeit verbreitet ist trägt dazu bei, das Umweltproblem möglicherweise gefährlicher Bodensenkungen, die durch die Wasserentnahme hervorgerufen werden könnten zu vermeiden. Die Korrosionswirkung aggressiver Lösungen ist auch für den Betrieb ein Problem.

Manche dieser unterirdischen Wässer enthalten auch gelöste oder freie Gase, die nicht immer harmlos sind. Gerade Schwefelwasserstoff, der sich in Wasser löst, lässt sich nur schwer abtrennen, da er erst bei der Verdampfung des Wassers bei der Abkühlung frei wird.

Dem Kraftwerk „The Geysirs“ (größte geothermische Kraftwerksanlage der Welt, welche in den kalifornischen Bergen nordöstlich von San Fransisco aus Erdwärme Strom gewinnt) entweicht z.B. so viel Schwefel, als würde es Öle mit niedrigem Schwefelgehalt verbrennen.

Die Schwefelemissionen müssen also begrenzt werden; dies könnte übrigens ein Anreiz sein die Entwicklung der Kraftwerke mit Sekundärflüssigkeit voranzutreiben, da hier die Emissionen leichter zu kontrollieren sind.

Es ist also klar, dass geothermische Kraftwerke nicht so umweltfreundlich sind wie Sonnen- oder Windkraftwerke, man kann aber doch sagen, dass diese Probleme beherrscht werden können und der Nutzung nichts entgegenstehen darf.

Energiegewinnung aus Erdwärme

Im Inneren der Erde gibt es in nahezu unerschöpflichen Mengen Energiereserven in Form von Erdwärme oder Geothermie. Sie befindet sich im oberen Bereich der Erdschichten, so dass sie besonders gut zugänglich und ...