GEOTHERMIE / ERDWÄRME
Nach menschlichem Ermessen ist Geothermie bzw. Erdwärme eine unerschöpfliche Energiequelle, welche im Gegensatz zu den übrigen erneuerbaren Energiequellen, die direkt oder indirekt von der Sonne gespeist werden, ihre Energie aus dem Erdinneren erhält. Unser Erdball gleicht gewissermaßen einer "kalten" Sonne.
Zu 70% stammt die Erdwärme - auch geothermische Energie genannt - aus der Zerfallsenergie langlebiger radioaktiver Isotope und zu 30% aus der Ursprungswärme aus der Zeit der Geburt unserer Erde vor ca. 4500 Millionen Jahren. Die Erdwärme ist damit - im für die Menschheit relevanten Rahmen - genauso unerschöpflich wie die Sonne.
Die ständige Verfügbarkeit der Wärme ermöglicht, dass Erdwärme zu jeder Zeit in stets gleichem Energieniveau genutzt werden kann. Deshalb eignet sie sich zur Grundlastversorgung, wie wir dies von konventionellen Kraft- und Heizwerken kennen. Im Gegensatz zu konventionellen Energieträgern und zu Biomasse ist Erdwärme zudem emissionsfrei.
Mit diesen herausragenden Eigenschaften und unter Berücksichtigung des jederorts erschließbaren Potenziales könnte die Erdwärme den ersten Platz in der Welt hinsichtlich der Rangfolge der Strom- und Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen belegen.
Im Erdinneren herrschen enorme Temperaturen von bis zu 6.000 Grad Celsius. In Vulkanen, heißen Quellen und Geysiren kommt die Hitze bis an die Erdoberfläche. Die Wärme, die vom schmelzflüssigen Kern im Erdinneren an die Erdoberfläche dringt, bezeichnet man als Geothermie oder Erdwärme. Dabei werden sowohl die auf dem Weg nach oben liegenden Gesteins- und Erdschichten als auch unterirdische Wasserreservoirs erhitzt.
Diese Wärme lässt sich unmittelbar zur Beheizung von Gebäuden und anderen Wärmeverbrauchern, zur Meerwasserentsalzung als auch zur Kühlung von Gebäuden einsetzen. Für die Stromerzeugung ist die Erdwärme aber besonders interessant, da sie rund um die Uhr und unabhängig von Jahreszeiten, Wetter oder Klimabedingungen zur Verfügung steht.
1913 wurde zum ersten Mal Strom in einem Erdwärmekraftwerk in Italien gewonnen. Heute erzeugen vorwiegend Länder wie Island, Neuseeland und die USA Strom aus Geothermie.
In Deutschland wird seit November 2003 in Neustadt/Glewe (Mecklenburg-Vorpommern) Strom aus Erdwärme erzeugt. Weitere Projekte sind in der Umsetzung, es gibt rund 100 Aufsuchungsfelder für die geothermische Stromversorgung.
Technologien zur Gewinnung von Erdwärme
Zur Nutzbarmachung der Erdwärme bedarf es eines Mediums, mittels dessen man sie an die Oberfläche befördern kann. Hierbei gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten:
Das Medium ist im Untergrund bereits als Dampf oder heißes Wasser vorhanden. Über eine Bohrung wird dieses an die Oberfläche befördert, durch Nutzung abgekühlt und schließlich wieder zurückgeleitet.
Im Untergrund ist heißes Gestein vorhanden. Um diese Wärme gewinnen zu können, wird Wasser in die Tiefe gepumpt und erhitzt wieder nach oben gefördert.
Die eingesetzten Verfahren zur Erschließung und Nutzung des geothermischen Potenzials sind sehr vielfältig:
Oberflächennahe Erdwärme
Unter oberflächennaher Geothermie versteht man die Nutzung der Energie, welche in den obersten Erdschichten oder dem Grundwasser gespeichert ist. Auch die hier herrschenden geringen Temperaturen von 8-12°C lassen sich auf verschiedene Arten nutzen und können sowohl zur Bereitstellung von Wärme als auch zur Erzeugung von Klimakälte dienen.
Um die vorhandene Energie im flachen Untergrund nutzen zu können, werden Wärmepumpen, Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Energiepfähle oder auch erdberührte Betonbauteile eingesetzt.
Tiefer Untergrund
Metrophysikalische Systeme wie das Hot-Dry-Rock-Verfahren nutzen die in kristallinen Gesteinen gespeicherte Hitze. Sie werden sowohl zur Wärme- als auch zur Stromversorgung eingesetzt.
Hydrothermale Geothermie
Für die hydrothermale Geothermie werden in großen Tiefen natürlich vorkommende Thermalwasservorräte, sogenannte Heißwasser-Aquifere (Wasserführende Schichten) angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme oder Strom möglich.
Hot-Dry-Rock-Verfahren
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. Zur Stromerzeugung werden u.a. ORC-Turbinen (Organic Rankine Cycle) eingesetzt, die im wesentlichen wie Dampfturbinen arbeiten. Als Arbeitsmedium wird allerdings nicht Wasser, sondern eine organische Flüssigkeit mit niedrigerem Siedepunkt verwendet, so zum Beispiel Ammoniak. Nur so ist es möglich, das vergleichsweise geringe Temperaturniveau geothermischer Quellen von rund 100°C für die elektrische Energieerzeugung zu nutzen.
Hydrothermale Wärmeversorgung
Für die Wärmenutzung eignen sich niedrigthermale Tiefengewässer mit Temperaturen zwischen 40°C 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.
Hydrothermale 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.
Weitere Informationen finden Sie hier
- Geothermische Vereinigung e.V.
- Aachen, RWTH, Angewandte Geophysik
- Agores European Commission Website for RES
- Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
- Geothermal Energy Association
- GeoForschungsZentrum Potsdam
Marktentwicklung Erdwärme
Geothermische Wärmeerzeugung
In Deutschland sind gegenwärtig 24 größere Anlagen mit einer installierten Leistung zwischen 100kW und 20MW in Betrieb, die Thermalwasser als Energiequelle nutzen. Es handelt sich vor allem um Geothermische Heizzentralen oder Thermalbäder in Kombination mit Gebäudeheizung. Die Wassertemperatur ist jeweils geringer als 110°C. Die gesamte in hydrothermalen Anlagen installierte Leistung der deutschen Anlagen beträgt ca. 50MWth.
Eine große Rolle bei der oberflächennahen geothermischen Wärmeerzeugung spielen Wärmepumpen, von denen zur Zeit jährlich etwa 10.000 installiert werden. Insgesamt wurden im Jahr 2004 1.556 Gigawattstunden Wärmeenergie aus Geothermie bereitgestellt (Quelle: AGEE-Stat/BMU). Die größten Anlagen stehen in Neubrandenburg, Waren/Müritz, Neustadt-Glewe (alle Mecklenburg-Vorpommern), Erding und Straubing (Bayern).
Geothermische 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. Zur Zeit gibt es 100 Aufsuchungsfelder für die geothermische Stromversorgung.
Ein geplantes Erdwärmekraftwerks in Offenbach a.d. Queich soll rund 150°C heißes Wasser aus einer Tiefe von etwa 2800 Metern nutzen. Der Standort liegt im Oberrheingraben und damit in der geologisch "heißesten Zone" Deutschlands. Hier werden Temperaturgradienten von über 50°C pro 1000 Meter erreicht. Die im nahen Karlsruhe ansässige HotRock GmbH hat hier die Errichtung eines Fünf-Megawatt-Kraftwerks projektiert. Dies entspricht dem Strombedarf von etwa 20.000 Haushalten. Ein Kohlekraftwerk gleicher Leistung würde rund 23.000 Tonnen CO2 im Jahr ausstoßen.
Potenziale
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 Geothermischer Vereinigung bis zu 29% 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 50MW könnten Heizkraftwerke etwa 30% des deutschen Stromverbrauchs bereitstellen. Die für den Betrieb erforderlichen Temperaturen zu erschließen, ist ein eher finanzielles und kein technisches Problem.
