Geothermie
Erdwärme ist rund um die Uhr und unabhängig von Jahreszeiten, Wetter oder Klimabedingungen verfügbar. In vielen Ländern weltweit wird Erdwärme zur Stromerzeugung eingesetzt oder in Wärmenetzen direkt genutzt. Besonders in Regionen mit geologisch günstigen Voraussetzungen (z.B. Regionen im sog. pazifischen Feuerring („Ring of Fire“) bzw. mit vulkanischer Aktivität,
Temperatur > 200°C) bildet Erdwärme eine solide Basis für eine
umweltfreundliche, kostengünstige und nachhaltige Energiegewinnung.
Die in der Erdkruste verfügbare Erdwärme stammt hauptsächlich aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdkern oder der Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung. Darüber hinaus speichern die obersten Schichten teilweise auch Wärme aus der Sonneneinstrahlung. In Ländern wie Deutschland, Italien, Indonesien, Philippinen, Mexiko, USA und Island ist die Nutzung von Erdwärme bereits seit vielen Jahren Teil des Energiekonzepts. Auch auf dem afrikanischen Kontinent, z.B. in Kenia, findet die Geothermie zur Stromerzeugung in jüngster Zeit großen Anklang.
Die deutsche Geothermie-Industrie deckt die gesamt Bandbreite der geothermischen Technologien ab: von der oberflächennahen Geothermie bis zur hydrothermalen und pertrothermalen Tiefengeothermie zur Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung.
Technologien und Anwendungen
Je nach Bohrtiefe unterscheidet man zwischen Tiefengeothermie und oberflächennaher Geothermie.
Tiefengeothermie
Zwar existiert keine strenge Grenze, jedoch wird in Deutschland bei der Tiefengeothermie meist eine Mindesttiefe von 400 m (Grenze nach der deutschen VDI-Richtlinie 4640) angenommen. Mithilfe der Tiefengeothermie kann sowohl Strom in Kraftwerken erzeugt als auch Wärme in größeren Wärmenetzen für die Industrieproduktion oder Gebäude-Wärmeversorgung genutzt werden. Ein Vorteil gegenüber anderen regenerativen Energien besteht darin, dass die tiefe Geothermie keinen saisonalen oder tageszeitlichen Schwankungen unterliegt, also konstant verfügbar ist und nicht besichert werden muss. In Deutschland ist Geothermie für die Deckung der Grundlast geeignet. Man unterscheidet zwischen hydrothermaler Geothermie, petrothermaler Geothermie und tiefen Erdwärmesonden.
Für die hydrothermale Geothermie werden Heißwasser führende Schichten in großen Tiefen direkt genutzt. Die wasserführende Gesteinsschicht (Nutzhorizont) sollte eine möglichst weite vertikale und laterale Verbreitung aufweisen, um eine langfristige Nutzung zu gewährleisten. Je nach Förderrate und Temperatur des Thermalwassers ist die hydrothermale Geothermie für die Wärme- und/oder Stromerzeugung einsetzbar.
GFZ German Research Centre for Geosciences
Prinzip petrothermaler Geothermie nach dem Organic Rankine Cycle (ORC) Verfahren.
Die Nutzung von tiefliegenden Wärmereservoiren, welche keine oder nur eine sehr geringe Wasserführung aufweisen, bezeichnet man als petrothermale Geothermie. Als Reservoir können hier Kristallin- und dicht gelagerte Sedimentgesteine in drei bis sechs Kilometern Tiefe und mit entsprechend hohen Temperaturen (mehr als 150 °C) dienen. Die Erschließung erfolgt über zwei oder mehr Bohrungen, welche in tiefliegende dichte Gesteine geführt werden. Durch hydraulische und chemische Stimulationsverfahren (Enhanced Geothermal Systems, EGS) werden Risse und Klüfte im Gestein erzeugt. Mithilfe einer Injektionsbohrung wird unter hohem Druck Wasser in das Gestein eingepresst, wo es sich erhitzt und anschließend über die Förderbohrung wieder nach oben gelangt. Das heiße Wasser wiederum erhitzt niedrig siedende Arbeitsmittel (sog. Kalina Cycle-Verfahren und Organic Rankine Cycle, ORC), um Dampf für eine Turbine zu erzeugen. Wärme kann zudem über einen Wärmetauscher in das Fernwärmenetz eingespeist werden. In Deutschland liegt im Einsatz petrothermaler Systeme mit etwa 90 Prozent der Hauptteil des Potenzials zur geothermischen Stromerzeugung.
Die tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung, welches aus einer einzelnen Bohrung in Tiefen von über 400 m bis zu mehreren 1000 m besteht. Das System der tiefen Erdwärmesonde funktioniert auf ähnliche Art und Weise wie das der in der oberflächennahen Geothermie (s.u.) eingesetzten Sonde, jedoch erreicht die tiefe Erdwärmesonde höhere Temperaturen, so dass meist keine Wärmepumpe notwendig und eine gleichzeitige Nutzung zur Kältespeicherung nicht möglich ist. Die gewonnene Energie wird direkt als Wärme genutzt. Dabei stehen auch hier sämtliche potenzielle Wärmenutzungsmöglichkeiten zur Verfügung, die von der Prozesswärme für Industrie und Gewerbe bei hohen Temperaturen bis zur Agrarnutzung bei niedrigen Temperaturen reichen. Eine Stromerzeugung ist selbst bei hohen Temperaturen wegen der geringen Wärmetauscherfläche der Sonde nicht wirtschaftlich.
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Natürliche oberflächennahe Temperaturverteilung in der Tiefe
Oberflächennahe Geothermie
Von oberflächennaher Geothermie spricht man bis zu einer Tiefe von 400 m. Da die Erde eine deutlich gleichmäßigere Temperatur aufweist als die in der Luft oder in einem Gewässer gespeicherte Wärme, eignet sie sich optimal sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen von Gebäuden. Bis zu einer Tiefe von ca. 15 m, je nach geologischen Gegebenheiten maximal 40 m, unterliegt die Temperatur in den obersten Erdschichten den jahreszeitlichen Schwankungen und wird somit vom Einfluss der Sonneneinstrahlung bestimmt. Hier herrschen Temperaturen knapp über der Jahresdurchschnittstemperatur an der Erdoberfläche. Ab dieser Tiefe nimmt die Temperatur mit einem geothermischen Gradienten von ca. 3 °C je 100 m Tiefe zu, um in einer Tiefe von 400 m 20-25°C zu erreichen. Die Wärme, die dem Erdboden entzogen werden kann, ist zudem durch die Beschaffenheit des Bodens bzw. Gesteins bestimmt.
Verschiedene Systeme, wie Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Energiepfähle oder andere erdberührte Betonbauteile ermöglichen die Nutzung der Erdwärme. Für gewöhnlich wird Wärme aus dem oberflächennahen Untergrund mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt, um eine Gebäude zu beheizen oder für Warmwasser zu sorgen. Im Heizfall erhöhen erdgekoppelte Wärmepumpen das im Erdboden vorherrschende Temperaturniveau auf die im Gebäude benötigten Temperaturen. Dabei wird dem Boden in einem Kreislaufprozess Wärme entzogen. Die im Untergrund vorhandenen konstanten Temperaturen können aber auch ohne Einsatz einer Wärmepumpe genutzt werden, um das Gebäude direkt zu kühlen. Reicht die Kühlleistung des Untergrunds nicht aus, kann ein Betrieb der Wärmepumpe in umgekehrter Richtung die fehlende Kühlleistung bereitstellen.
- Schematische Darstellung der Umweltwärmenutzung mithilfe von Erdwärmekollektoren und Erdwärmesonden über einen Wärmepumpeneinsatz.
Erdwärmekollektoren werden in 80-160 cm Tiefe horizontal verlegt und koppeln thermisch stark an die an der Oberfläche vorherrschenden Witterungseinflüsse. Der Flächenbedarf ist höher als bei Energiepfählen; für ein Einfamilienhaus wird eine Grundfläche von etwa 200-250 m² benötigt). Das durch die Rohrschleifen zirkulierende Wärmeträgermedium transportiert die dem Erdboden entzogene Energie zur Wärmepumpe.
Erdwärmesonden sind in Mittel- und Nordeuropa weit verbreitete Anlagentypen. Zur Nutzung oberflächennaher Geothermie werden sie in 50 bis 160 m Tiefe eingesetzt. Ihr Flächenbedarf ist gering, und sie nutzen ein konstantes Temperaturniveau. Es handelt sich um Kunststoffrohre (HDPE), die zu Kreisläufen zusammengeschlossen und mit dem Kühl- und Heizsystem des Gebäudes verbunden sind. In ihnen zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit, die die Wärme aus dem umgebenden Erdreich aufnimmt und an die Wärmepumpe weiterleitet. Durch diese Technik lassen sich Anlagen unterschiedlicher Größe – von kleinen Wohneinheiten bis hin zu kompletten Wohngebieten – mit Wärme bzw. Kälte versorgen.
Bei Energiepfählen werden tiefreichende Betonpfähle, Schlitzwände oder andere im Untergrund verbaute, statisch notwendige Betonbauteile mit Kunststoffrohren belegt, die mit Wasser als Leitmedium die Erdwärme bzw. Erdkälte ausnutzen. Das kalte Wasser erwärmt sich in den Betonpfählen durch die Erdwärme. Das warme Wasser heizt unter Zwischenschaltung einer Wärmepumpe das Gebäude. Im Sommer kann dieses System zur sanften Kühlung verwendet werden.
