Geothermie - Erdwärme
Geothermie heißt Erdwärme und meint die Wärme, die im Innern unseres Planeten vorhanden ist und in der Hauptsache durch das heiße (und flüssige) Magma entsteht. Die Nutzung besteht sowohl in der Verwendung von heißem Quellwasser an der Erdoberfläche, als auch im Entzug von Wärme mehrere Kilometer unter der Erdoberfläche. Das bekannteste Phänomen sind die kochend heißen Geysire in Island. Erdwärme kann verwendet werden, um Räume und Gebäude zu heizen, aber auch, wenn höhere Temperaturen vorliegen sind, zum Antrieb von Turbinen und Generatoren für die Stromerzeugung.
Ein Nachteil der Windkraftnutzung besteht, ebenso wie bei der Solarenergie, in der Notwendigkeit, Energie (für windarme Zeiten oder für Spitzenverbrauch) speichern zu müssen, wenn keine Möglichkeit besteht, den erzeugten Strom in ein Verbundnetz einzuspeisen. Bei Insellösungen ist dies regelmäßig der Fall.
Umweltverträglichkeit:
Die geothermische Nutzung des Untergrundes hat keine direkten Auswirkungen auf die Umwelt, da uns mit dem Planeten Erde ein riesiges Wärmereservoir zur Verfügung steht. Die technische Verwendung bringt im Falle der Stromerzeugung ein Betriebsgebäude für die Unterbringung von Turbinen und Generatoren mit sich. Zur Kühlung des Wassers werden in den meisten Fällen Kühltürme notwendig sein.
Im Zuge der direkten Wärmenutzung für Heizung oder Prozesswärme entstehen in die Landschaft oder im Naturhaushalt keine Eingriffe. Einzig bei der Nutzung von heißem Grundwasser muss gewährleistet werden, dass die Wasserbilanz in den Gesteinsschichten im Untergrund nicht wesentlich gestört wird.
Im Prinzip stehen uns zwei Arten von Wärmequellen zur Verfügung:
Gebiete mit hohen Untergrund-Temperaturen, so genannte Hochenthalpie-Lagerstätten. Diese liegen in Regionen mit geothermischen Anomalien. Eine geothermische Anomalie ist eine starke Abweichung von der normalen „geothermischen Tiefenstufe“: Der Veränderung der Temperatur mit der Tiefe um 3° C pro 100 m. Dabei treten bereits in geringer Tiefe (600 bis 2000 m) Temperaturen von über 150 Grad °C auf. Wärmeanomalien, an denen Magma aus dem Inneren der Erde bis nah an die Erdoberfläche gelangt, sind besonders in Regionen mit vulkanischer Aktivität zu finden, im Bereich großer geotektonischer Störungen oder an den Rändern der Erdkrustenplatten (z.B. San-Andreas-Verwerfung (Kalifornien), mittelatlantischer Rücken (Island)), an geologischen Gräben (Ostafrikanischer Grabenbruch) und im Rückland junger Faltengebirge (Italien).
Die Hochenthalpie-Lagerstätten eigen sich besonders zur Stromerzeugung, da hierfür Temperaturen von ca. 100° C benötigt werden.
Hingegen finden sich Niederenthalpie-Lagerstätten im Bereich der Kontinentalplatten (z. B. Mitteleuropa). Die Temperaturen im Untergrund können sehr unterschiedlich sein und liegen zwischen 40-150° C. Hier kann die Wärme bevorzugt für Gebäudeheizung und Prozesswärme zum Beispiel für die Erwärmung von Schwimmbädern, Gewächshäusern, Fischteichen etc. als auch zur Kühlung genutzt werden.
In der Regel sind Bohrungen zwischen 3000 bis 6000 m notwendig, um die Geothermie für Wärme- oder Stromerzeugung nutzbar zu machen. Deutschlands geothermische Lagerstätten sind bis auf wenige Ausnahmen (Schwäbische Alb ca. 10° C/100 m) Niederenthalpie-Felder.
Technologie: Die Nutzung der Erdwärme zur Gebäudeheizung ist heutzutage problemlos möglich. Bei der oberflächennahen Geothermie wird das Medium (in der Regel Wasser) in Rohren, die auf dem Grundstück oder unter dem Baukörper verlegt sind, aufgeheizt und direkt für die Raumerwärmung oder -kühlung genutzt. Zusätzlich kann die Temperatur durch Wärmepumpen angehoben werden.
Beispiel
Das „Oberflächennahe Geothermienetz“ in March-Hugstetten, Kreis Breisgau-Hochschwarzwald
Nachdem 2007 zwischen der Gemeinde March und dem Energieversorger EnBW ein entsprechender Vertrag geschlossen wurde, konnte Ende November 2008 das landesweit erste oberflächennahe Geothermienetz nach dem Prinzip der kalten Nahwärme im Neubaugebiet in Hugstetten in Betrieb genommen werden. Es sollen rund 100 Wohneinheiten (vom Reihenhaus bis zum Mehrfamilienhaus) mit einer Heizleistung von 750 kW, bzw. der Heizenergie von 1.600 MWh versorgt werden.
Als „Tiefe Geothermie“ wird die Nutzung von mehr als 100° C heißem Wasser aus großer Tiefe bezeichnet. Das im Erdinneren erhitzte Wasser wird in der Form von Wasserdampf zum Antrieb von Turbinen zur Stromerzeugung genutzt. Das heiße Wasser wird grundwasserführenden Schichten entnommen und durch eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund zurückgepumpt. Enthalten die heißen Gesteinsschichten kein Wasser, wird es von oben in die Tiefe gepumpt (Hot-Dry-Rock-Verfahren HDR) und nach seiner Erwärmung durch die Entnahmebohrung den Turbinen zugeführt.
Beispiel
Bei dem Projekt „Geothermie Unterhaching“ in Bayern handelt es sich um die bisher größte geothermale Tiefbohrung in Deutschland. Aus über 3.300 m Tiefe werden bis zu 150 l heißes Thermalwasser pro Sekunde an die Oberfläche gefördert. In einem Temperaturbereich zwischen 60 und 122° C stehen damit ganzjährig ca. 38 MW thermische Energie zur Verfügung. Diese können je nach Witterung entweder zur Produktion von Fernwärme oder von Strom (bis zu 3,4 MW) genutzt werden.
Bei der Benutzung von Erdwärmesonden wird mittel eines doppelwandigen Rohres Flüssigkeit innen nach unten gepumpt, die sodann im äußeren Rohr wieder nach oben strömt und durch das heiße Gestein aufgeheizt wird. Hierfür wurden auch Verfahren entwickelt, die andere Flüssigkeiten als Wasser verwenden, z. B. von Alexander Kalina 1970 das so genannte Kalina-Verfahren, das mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch arbeitet und den Gewinn an nutzbarer Wärme erhöht. Ein anderes Verfahren ist ORC: Hier wird als Arbeitsmedium eine organische Flüssigkeit verwendet (Organic Rankine Cycle). (Verwendete Grafik: Rödl & Partner)
Vor- und Nachteile: Erdwärme steht für die nächsten Jahrhunderte unbegrenzt ohne schädliche Nebenwirkungen zur Verfügung. Die Erschließung ist u.a. aufgrund des hohen Aufwandes an Forschung und Probebohrungen relativ teuer. Die Geothermie erfüllt in jedem Fall die Kriterien der Nachhaltigkeit. Sinnvoll ist eine kombinierte Nutzung von Wärme- und Stromerzeugung sowie ein Energiemix mit anderen erneuerbaren Energien.