Geothermie

Die Geothermie, oder Erdwärme, ist die in dem oberen (zugänglichen) Teil der
Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie,
soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen
Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im
Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom
oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geothermie bezeichnet sowohl die
ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung, als auch
die wissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation des Erdkörpers.

Ursprung geothermischer Energie

Geothermie stammt zum Teil (geschätzt: 30-50 Prozent) aus der Restwärme aus der
Zeit der Erdentstehung (Akkretion), zum anderen (geschätzt: 50-70 Prozent) aus
radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen
kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen. Ganz oberflächennah
kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche 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 geothermische Anomalien. Hier
kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.

Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung

Die Erde ist vor zirka 4,6 – 4,7 Milliarden Jahren durch Akkretion von Materie
entstanden. Hierbei erhitzt sich das Material, wobei kinetische Energie
(Bewegungsenergie) in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie hat sich wegen
der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe
an den Weltraum bis heute zum Teil erhalten und kann als Restwärme aus der Zeit
der Erdentstehung bezeichnet werden.

Radioaktive Zerfallsprozesse

Dieser Anteil der Geothermie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper
vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z.B. Uran-235 und U-238,
Thorium-232 und Kalium-40 zurück. Diese Elemente sind in die Kristallgitter
bestimmter Minerale eingebaut, beispielsweise in die Feldspäte und Glimmer in
Graniten. Es handelt sich um eine natürliche Form der Kernenergie.

Die Leistung, die aus dem radioaktiven Zerfall resultiert, beträgt etwa 16 ·
1012 Watt. Bei einem mittleren Erdradius von 6 371 km beträgt die geothermische
Leistungsdichte des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,032 Watt
(32 mW) pro Quadratmeter Erdoberfläche. Dies würde etwa die Hälfte des
terrestrischen Wärmestroms ausmachen.

Wärmestrom aus dem Erdinneren

Die Wärme wird aus tieferen Teilen der Erde durch Wärmeleitung, also Konduktion,
aber auch durch Konvektion in für die Nutzung erreichbare Tiefen transportiert.

Der terrestrische Wärmestrom, die von der Erde pro Quadratmeter an den Weltraum
abgegebene Leistung, ist etwa 0,063 Watt/m² (63 mW/m²) (Wärmestromdichte). Dies
ist ein relativ kleiner Wert und weist schon darauf hin, dass sich Geothermie
vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet. In anomalen Gebieten, wie etwa
vulkanischen Gebieten, kann der Wärmefluss um ein Vielfaches größer sein.

Wegen der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung vorwiegend
nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste
gespeicherte Energie genutzt oder abgebaut. Eine Geothermienutzung muss 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.

Einteilung der Geothermiequellen

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

* oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung, meist zum Heizen und Kühlen
(Wärmepumpenheizung), und der

* tiefen Geothermie zur direkten Nutzung oder auch zur Stromerzeugung
unterschieden.

Weiterhin wird zwischen Hoch- und Niedrigenthalpie-Lagerstätten unterschieden.
Hochenthalpie bedeutet, dass derartige Lagerstätten eine hohe Temperatur bereit
stellen.

Tiefe Geothermie

Je tiefer man in die Erdkruste bohrt, desto höher steigt die Temperatur an. Im
Durchschnitt erhält man pro Kilometer Tiefe eine Temperaturerhöhung von 35 K bis
40 K (geothermische Tiefenstufe). Die geothermische Tiefenstufe ist jedoch
regional sehr unterschiedlich. Abweichungen vom Standard werden als
Wärmeanomalien bezeichnet. Interessant sind besonders Gebiete mit deutlich
höheren Temperaturen. Hier können die Temperaturen schon in geringer Tiefe
mehrere hundert Grad betragen. Derartige 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. Dort sind mehrere hundert Grad heiße Fluide
(Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark
mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern.

Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen können
Hochenthalpie-Lagerstätten mehr dampf- oder mehr wasserdominiert sein. Früher
wurde der Dampf nach der Nutzung in die Luft entlassen, was zu erheblichem
Schwefelgeruch führen konnte (Italien, Larderello). Heute werden die abgekühlten
Fluide in die Lagerstätte reinjiziert (zurück gepumpt). So werden negative
Umwelteinwirkungen vermieden und gleichzeitig die Produktivität durch
Aufrechterhalten eines höheren Druckniveaus in der Lagerstätte verbessert.

Niederenthalpie-Lagerstätten

In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr
unterschiedlich sein. In der Regel sind jedoch, wenn für die Nutzung höhere
Temperaturen gebraucht werden, tiefe Bohrungen notwendig. Für eine
wirtschaftliche Stromerzeugung sind Temperaturen über 100 °C erforderlich.
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. Man spricht von
Petrothermaler Geothermie. 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)

* Petrothermale Systeme, oft auch HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) genannt: mit
hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und
Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser zwischen zwei tiefen
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 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 (wasserführende Schichten)
angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme
oder Strom möglich.

Petrothermale Systeme

Gesteine in größerer Tiefe weisen eine hohe Temperatur auf (Hot Dry Rock). Diese
Energie kann zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Um die Wärme dieser
Gesteine nutzen zu können, müssen sie von einem Wärmeträger (Wasser)
durchflossen werden, der die Energie anschließend an die Oberfläche bringt.

Das Prinzip der Nutzung der Geothermie aus heißem dichtem Gestein (HDR), siehe
auch ‚Petrothermale Systeme‘

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Das Prinzip der Nutzung der Geothermie aus heißem dichtem Gestein (HDR), siehe
auch ‚Petrothermale Systeme‘

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
Wärmeübertragungsfläche und die Durchgängigkeit zu gering wären. Das so
geschaffene System aus natürlichen und künstlichen Rissen bildet einen
unterirdischen, geothermischen Wärmeübertrager. 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 Erdwärmegewinnung. Sie
besteht aus einer 2000 bis 3000 m tiefen Bohrung, in der ein Fluid zirkuliert.
In der Regel schließt man dabei das Fluid in einem koaxialen Rohr ein: Im
Ringraum der Bohrung fließt das kalte Wärmeträgerfluid nach unten, um
anschließend in der dünneren eingehängten Steigleitung erwärmt wieder
aufzusteigen. Derartige Erdwärmesonden 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 den Leitfähigkeiten des Gesteins ab. Sie wird jedoch nur
einige hundert kW betragen und somit wesentlich kleiner sein 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 Erdwärmesonden werden zurzeit (2005) in Aachen (Universität) und
Arnsberg (Freizeitbad Nass) gebaut.

Alternativ zur Zirkulation von Wasser (eventuell mit Zusätzen) in der
Erdwärmesonde sind auch Sonden mit Direktverdampfern (Wärmerohre oder aus dem
Englischen Heatpipes) vorgeschlagen worden. Als Arbeitsmittel kann entweder eine
Flüssigkeit 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.
Heatpipes können eine höhere Entzugsleistung haben als konventionelle Sonden, da
sie auf ihrer gesamten Länge die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels haben
können.

Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark. Innerhalb der
oberen Schichten des Erdbodens werden diese Temperaturen jedoch nicht bzw. nur
sehr stark gedämpft nachvollzogen. Aus mathematischer Sicht folgt der
Temperaturverlauf einer gedämpften harmonischen Schwingung. In 5 bis 10 m Tiefe
entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch der
Jahresmitteltemperatur des Standortes (ca. 8 bis 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
(Wärmepumpenheizung). Mit Erdwärme kann im Sommer aber auch gekühlt werden.

Geothermie aus Tunneln

Die Gewinnung von thermischer Energie aus Tunnelbauwerken wird auch als
Tunnelthermie bezeichnet. Durch die großen, erdberührten Flächen stellt diese
relativ junge Technologie aber ein hohes Nutzungspotenzial besonders in
innerstädtischen Tunnelbauwerken dar.

Geothermie aus Bergbauanlagen

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.

Geothermie steht immer, also unabhängig von der Tages- und Jahreszeit und auch
unabhängig vom Wetter zur Verfügung. Optimal wird eine Anlage, in der das
oberflächennahe Temperaturniveau genutzt werden soll, dann arbeiten, wenn sie
auch zeithomogen genutzt wird. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn im
Winter mit Hilfe einer Wärmepumpe das oberflächennahe Temperaturniveau von ca.
10°C zum Heizen genutzt wird und sich dabei entsprechend absenkt und im Sommer
dann dieses Reservoir zur direkten Kühlung benutzt wird. Beim Kühlen im Sommer
ergibt sich dabei eine Erwärmung des oberflächennahen Reservoirs und damit
dessen teilweise oder vollständige Regeneration. Im Idealfall sind beide
Energiemengen gleich. Der Energieverbrauch des Systems besteht dann im
Wesentlichen aus der Antriebsleistung für die Wärme- bzw. Umwälzpumpe.

Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Anlagen 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 den unterirdischen Wärmespeicher
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 °C) sind allerdings nur in
größerer Tiefe denkbar. Beispielsweise verfügt das Reichstagsgebäude über einen
derartigen Speicher.

Die Geothermie ist eine langfristig nutzbare Energiequelle. Mit den Vorräten,
die in unserem Planeten gespeichert sind, könnte im Prinzip, rechnerisch und
theoretisch der derzeitige weltweite Energiebedarf für über 100.000 Jahre
gedeckt werden.

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 Kraft-Wärme-Kopplungen (KWK) optimal. Das Problem sind hierbei meistens die
Abnehmer der Wärme. Nicht an jedem Kraftwerksstandort werden sich Abnehmer für
die Wärme finden lassen. Die Forderung, Geothermie ausschließlich in
KWK-Projekten zu nutzen, bleibt ein Wunschtraum.

Geothermische Energie wird seit über 10.000 Jahren genutzt. Unsere Vorfahren
haben vermutlich geothermisch erwärmtes Wasser zum Kochen, Baden und Heizen
verwendet.

Einkochen und Verdampfen, Meerwasserentsalzung 120 °C

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 °C

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.

Wärme wird heutzutage in vielfältiger Weise gebraucht (Wärmemarkt). Eine
klassische Darstellung der dabei benötigten Temperaturen gibt das Lindal
Diagramm (Baldur Lindal, 1918-1997).

Heizen und Kühlen mit Erdwärme

Für die meisten Anwendungen werden nur relativ niedrige Temperaturen benötigt.
Aus tiefer Geothermie können häufig die benötigten Temperaturen direkt zur
Verfügung gestellt werden. Reicht dies nicht, so kann die Temperatur durch
Wärmepumpen angehoben werden, so wie dies meist bei der oberflächennahen
Geothermie geschieht.

In Verbindung mit Wärmepumpen wird Erdwärme in der Regel zum Heizen und Kühlen
von Gebäuden sowie zur Warmwasserbereitung eingesetzt (siehe
Wärmepumpenheizung).

Nur wenige Anwendungen sind ohne Wärmepumpe möglich. Die wichtigste ist die
natürliche Kühlung, bei der Wasser mit der Temperatur des flachen Untergrundes,
also der Jahresmitteltemperatur des Standortes, direkt zur Gebäudekühlung
verwendet wird. Diese natürliche Kühlung hat das Potential, weltweit Millionen
von elektrisch betriebenen Klimageräten zu ersetzen. Sie wird jedoch derzeit nur
wenig angewendet.

Eine weitere direkte Anwendung ist das Eisfreihalten von Brücken und Straßen.
Auch hier wird keine Wärmepumpe benötigt, denn der Speicher wird durch Abführung
und Einspeicherung der Wärme mit einer Umwälzpumpe von der heißen Fahrbahn im
Sommer regeneriert. Dazu zählt auch das frostfreie Verlegen von Wasserleitungen.
Die im Boden enthaltene Wärme lässt den Boden im Winter nur bis in eine geringe
Tiefe einfrieren.

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 1000 bis 2500 Metern
Tiefe über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, gibt den wesentlichen
Teil seiner Wärmeenergie per Wärmeübertrager an einen zweiten, den „sekundären“
Heiznetzkreislauf ab. Ausgekühlt wird es anschließend über eine zweite Bohrung
wieder mit einer Pumpe in den Untergrund verpresst, und zwar in die Schicht, aus
der es entnommen wurde.

Zur Stromerzeugung wurde die Geothermie zum ersten mal in Larderello 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 möglich ist.

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
Organic Rankine Cycle- Anlagen (ORC) ermöglichen allerdings eine 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. Für Anlagen in einem kleineren
Leistungsbereich (< 200 kW) sind auch motorische Antriebe wie Stirlingmotoren
denkbar. Geothermie ist grundlastfähig.

Die Stromerzeugung aus Geothermie ist traditionell in Ländern, die über
Hochenthalpie- Lagerstätten verfügen, in den Temperaturen von mehreren hundert
Grad in vergleichsweise geringen Tiefen (< 2000 m) 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.

Geothermie weltweit

Im Jahr 2005 waren zur direkten Nutzung von Geothermie weltweit Anlagen mit
einer Leistung von 27.842 Megawatt (fast 28 Gigawatt) installiert. Diese haben
Energie in der Größenordnung von 261.418 Terajoule pro Jahr (72.616
Gigawattstunden pro Jahr), das entspricht einer mittleren Leistungsabgabe im
Jahr von 8,29 GW oder bei einer Weltbevölkerung 2005 von 6,465 Mrd. Menschen
1,28 Watt/Mensch – durchschnittlicher Primärenergieverbrauch 2.100 Watt/Mensch –
oder 0,061 % des Primärenergieverbrauchs der Welt. Der Ausnutzungsgrad der
installierten Leistung beträgt also etwa 30 % (diese Kennzahl ist wichtig für
die überschlägige Kalkulation der Wirtschaftlichkeit von geplanten Anlagen).

Besonders hervorzuheben sind Schweden und Island. Schweden ist geologisch eher
benachteiligt, hat aber durch eine konsequente Politik und Öffentlichkeitsarbeit
diesen hohen Anteil bei der Nutzung erneuerbarer Energien vorwiegend zum Heizen
(Wärmepumpenheizung) erreicht. Auch in Island hat die Nutzung dieser Energie
einen beträchtlichen Anteil an der Energieversorgung des Landes (ca. 16%), vgl.
Geothermale Energie in Island. Es ist inzwischen weltweit Vorreiter auf diesem
Gebiet. Stromerzeugung aus Geothermie konzentriert sich traditionell auf Länder,
die über oberflächennahe Hochenthalpie-Lagerstätten verfügen (meist Vulkan- oder
Hot Spotgebiete). In Ländern, die dies – wie zum Beispiel Deutschland – nicht
haben, muss der Strom mit einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau (Niederenthalpie-Lagerstätte
mit etwa 100-150 °C) erzeugt werden, oder es ist entsprechend tiefer zu bohren.

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 Führerschaft übernehmen. Im November 2003 wurde das erste
derartige Kraftwerk Deutschlands, das Geothermie-Kraftwerk Neustadt-Glewe, in
Betrieb genommen.

In Australien wird in Cooper Basin das erste rein wirtschaftliche
Geothermiekraftwerk auf der Basis HFR (Hot Fractured Rock) erstellt. Bisher sind
zwei Bohrungen auf über 4.000 m Tiefe gebohrt und ein künstliches Risssystem
erzeugt. Die Temperaturen sind mit 270 Grad höher als erwartet und auch die
künstlich erzeugte Wasserwegsamkeit zwischen den Bohrungen ist besser als
geplant. 2006 wird mit dem Bau des Kraftwerks nach dem Kalina Verfahren
begonnen. In den letzten 5 Jahren wurde die Stromerzeugung stark ausgebaut. Auf
Länder bezogen ergeben sich weltweit die in der Tabelle angegebenen Zuwächse für
den Zeitraum 2000-2005.

Bezogen auf die pro-Kopf-Nutzung der Erdwärme ist Island heute Spitzenreiter mit
200 MWe installierte Gesamtleistung (Geothermale Energie in Island). Die USA
führen dagegen mit einer installierten Gesamtleistung von 2000 MWe vor
Indonesien.

Situation in Deutschland

Auch in Deutschland ist die direkte Nutzung (Wärmepumpenheizung) schon
verbreitet und hat hohe Zuwachsraten. Die Stromerzeugung steckt noch in den
Anfängen, jedoch sind eine Vielzahl von Kraftwerken im Bau oder in der Planung.

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

Im Bereich der tiefen Geothermie gibt es in Deutschland zurzeit 30
Installationen mit Leistungen über 100 kW. Diese leisten zusammen 105 MW
(Quelle, siehe Literatur/Statistik, 4.). Die meisten dieser Einrichtungen stehen
im

* Norddeutschen Becken, in der

* Süddeutschen Molasse oder in der

* Oberrheinischen Tiefebene/Oberrheingraben.

Der norddeutsche Raum verfügt geologisch bedingt über ein großes Potential
geothermisch nutzbarer Energie in thermalwasserführenden Porenspeichern des
Mesozoikums in einer Tiefe von 1000 bis 2500 m mit Temperaturen zwischen 50 °C
und 100 °C. Die Geothermische Heizzentrale (GHZ) in Neubrandenburg war eines der
Pilotprojekte zur Nutzung der Geothermie.

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.

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. Im Vergleich zu
Schweden, Schweiz oder Österreich ein eher geringer Marktanteil. Im Jahr 2000
betrug er in Deutschland 2 bis 3 %, in Schweden 95 %, und in der Schweiz 36 %
(Siehe auch Wärmepumpenheizung)

Stromerzeugung

Das erste geothermische Kraftwerk in Deutschland ist 2004 in
Mecklenburg-Vorpommern als Erweiterung des bereits 1994 errichteten
geothermischen Heizwerks in Betrieb genommen worden. Die elektrische Leistung
des Geothermie-Kraftwerks Neustadt-Glewe beträgt bis zu 230 kW. Aus einer Tiefe
von 2250 Metern wird etwa 97 °C heißes Wasser gefördert und zur Strom- und
Wärmeversorgung genutzt. Im Jahr 2004 betrug die erzeugte Strommenge 424 000
Kilowattstunden (Quelle: AGEE-Stat/BMU), angestrebt sind jährlich ca. 1,2 Mio.
Kilowattstunden (entspricht einer mittleren Leistung von 48kW, bzw. 137kW). 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 davon am Oberrhein und
in der oberbayrischen Molasse. Die Bergämter haben dort zahlreiche
Aufsuchungsgenehmigungen vergeben (bis 2005 fast 50).

Ökonomische Aspekte

Die geringe Nutzung der überall vorhandenen und vom Energieangebot her
kostenlosen Geothermie liegt darin begründet, dass sowohl der Wärmestrom, mit
~0,06 Watt/m² als auch die Temperaturzunahme mit der Tiefe, mit ~3°C/100 m in
den zugänglichen Teilen der Erdkruste, von besonderen Standorten abgesehen, so
gering sind, dass eine Nutzung zu Zeiten niedriger Energiepreise nicht
wirtschaftlich war. Durch das Bewusstwerden des CO2-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 kostenlos ist, wird die
Wirtschaftlichkeit einer Geothermienutzung vor allem durch die
Investitionskosten (Zinsen) und Unterhaltskosten der Anlagen bestimmt.

Unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen (Erneuerbare-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 0,5 MW
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. Dabei 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 bereits konkurrenzfähig und zeichnet sich durch sehr niedrige
Betriebskosten aus. Wärmepumpenheizungen bestehen in der Regel aus einer oder
mehreren Erdwärmesonde(n) und einer Wärmepumpe. 2004 wurden in Deutschland etwa
9.500 neue Anlagen errichtet, der Bestand übersteigt 50.000. In der Schweiz
waren es 2004 rund 4.000 neue Anlagen mit Erdwärmenutzung. Der Marktanteil in
Deutschland ist im Gegensatz zu Ländern wie Schweden oder Österreich jedoch sehr
gering.

Bei den Betriebskosten spielt die Beständigkeit der Anlagen gegen Verschleiß
(z.B. bewegte Teile einer Wärmepumpe oder eines Stirlingmotors) eine Rolle. Bei
offenen Systemen kann Korrosion durch aggressive Bestandteile im
wärmetransportierenden Wasser entstehen (alle Teile in der Erde und die
Wärmeübertrager). Diese anfänglich bedeutenden Probleme sind jedoch heute
weitgehend technisch gelöst.

Ökologische Aspekte

Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit. Sie gehört somit zu den
regenerativen Energiequellen, da ihr Potenzial sehr groß und nach menschlichem
Ermessen unerschöpflich ist. 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. Geothermie ist eine der wenigen
erneuerbaren Energien, die bei der Stromerzeugung grundlastfähig ist. Sie
leistet daher einen entscheidenden Beitrag bei der Gestaltung eines Energiemixes
aus regenerativen Energien. Nach den Vorstellungen der Branche werden durch
Geothermie bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen Kohlendioxid
eingespart. Die Kosten für eine Tonne CO2 Einsparung liegen bei etwa 70 €/t
(Vergleich: Fotovoltaik 2210 €/t).

 

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