GeothermieDie Geothermie, auch als Erdwärme bekannt, ist eine Art der regenerativen Energiebereitstellung. EntstehungGeothermie resultiert zum größeren Teil (70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdmantel und Erdkruste, zum geringeren Teil (30 Prozent) aus der aufsteigenden Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung; die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4500 °C bis 6500 °C. Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der oberflächennahen Geothermie (mit Hilfe von Sonden zu Heizzwecken) und der Tiefen-Geothermie (mit Hilfe von Tiefbohrungen zur Strom- und Wärmegewinnung) unterschieden.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, unter besonderen geologischen Bedingungen kann die Temperatur dort 100 °C bis 400 °C erreichen. Der an der Erdoberfläche ankommende Wärmefluss aus dem Erdinneren beträgt durchschnittlich 0,063 Watt/m². Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit und der ökologischen Qualität. Sie ist zwar im strengen Sinne nicht regenerativ, aber ihr Potenzial ist von kosmischen Dimensionen. 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. Die Geothermie steht fast überall, bis auf wenige ungünstige Ausnahmen, im Boden an Ort und Stelle bereit. Sie ist für Länder mit wenig stabiler Sonneneinstrahlung eine wirtschaftliche Energiealternative für die Zukunft. Geothermische Energie wird seit über 10.000 Jahren genutzt. Unsere Vorfahren haben vermutlich geothermisches Wasser zum Kochen, Baden und Heizen verwendet. 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. Was die pro-Kopf Nutzung der Erdwärme betrifft, ist Island Spitzenreiter bei 200 MWe installierter Leistung, siehe hierzu Geothermale Energie in Island. Was die installierte Leistung alleine betrifft, sind die USA mit 2.000 MWe Spitzenreiter. Insgesamt gibt es in den 22 wichtigsten die Erdwärme nutzenden Ländern eine installierte Leistung von 8.200 MWe (Stand: 2000; Quelle der Zahlen: Schweizerische Vereinigung für Geothermie SVG (Hrsg.), Info-Geothermie Nr. 6 - Oktober 2003, Seite 2). Im November 2003 wurde in Neustadt-Glewe das erste geothermische Kraftwerk Deutschlands (Geothermie-Kraftwerk Neustadt-Glewe) in Betrieb genommen. Tiefe GeothermieDie Temperaturen im Inneren der Erde sind sehr hoch. Je tiefer man in der Erdkruste bohrt, umso höher steigt die Temperatur an. Im Durchschnitt erhält man (mit sehr großer Schwankungsbreite) pro Kilometer Tiefe eine Temperaturerhöhung von 35 °C bis 40 °C. Mit den zur Verfügung stehenden Temperaturen kann man Häuser über ein Fernwärmenetz direkt heizen oder sogar Strom in einem Erdwärmekraftwerk erzeugen. Zu diesen Zweck werden Bohrungen abgeteuft, aber auch bestehende, nicht mehr genutzte Tiefbohrungen können umgewidmet werden. Zur Energiegewinnung werden Erdwärmesonden installiert. Der Charme der Nutzung der Erdwärme liegt besonders darin, dass von den Ressourcen der Erde nur das entnommen wird, was wirklich benötigt wird: die Wärme und nur die Mengen an Sole, die zur stofflichen Nutzung erforderlich sind. Ansonsten ist der Stoffkreislauf weitgehend geschlossen, der sich nach Bedarf ein- und ausschalten lässt. Optimierungsbedarf im Bereich der Kreislaufführung besteht hinsichtlich der Kontaktstoffe des Thermalwassers, die unerwünschte Prozesse im System, wie Korrosion oder Zusetzung von Schluckbohrungen, verhindern. Beim derzeitigen Stand der Bohrtechnik kann Erdwärme in bis zu 6.000 Metern Tiefe und bis zu 400 °C erschlossen werden. Geothermische Blockheizkraftwerke könnten in Deutschland mittelfristig etwa die Hälfte des nationalen Energiebedarfs abdecken. Generell werden im Bereich der tiefen Geothermie drei Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund unterschieden:
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, mit der Nutzung eines Einzelbrunnens in Erding ist eine tiefe Erdwärmesonde schon seit Jahren erfolgreich im Betrieb. HDR-Verfahren befinden sich derzeit 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). Oberflächennahe GeothermieDie 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 (Gedämpfte harmonische Schwingung). In der Praxis zeigt sich dieses Phänomen z.B. darin, dass in Deutschland der Erdboden in Tiefen von 80 cm frostsicher ist. In Tiefen von 4 m, sowie im gesamten oberflächennahen Grundwasser herrschen das ganze Jahr über Temperaturen von nahezu konstant der Jahresdurchschnittstemperatur (ca. 8°C in Deutschland). Mathematisch kann man den Temperaturverlauf mit einer gedämpften harmonischen Schwingung beschreiben. (Formel einfügen) Mittels Erdwärmesonden (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme) wird die Wärme an die Oberfläche gefördert. Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren. Mit Erdwärme kann im Sommer aber auch gekühlt werden. Technische Verwertung der WärmeenergieJe nach Leistung der unterirdischen Anlage hinsichtlich Temperatur und Fließrate werden genau angepasste Kraftwerksanlagen erstellt. Eingesetzte Technologien umfassen den sog. Organic Rankine Cycle bei dem ein organische Flüssigkeit als Betriebsmittel zur Verdampfung eingesetzt wird und auch den Kalina-Prozess, bei dem eine variable Mischung aus Ammoniak und Wasser verwendet wird. Die Nutzung geringer Temperaturdifferenzen ist grundsätzlich auch unter wirtschaftlichen Erwägungen realisierbar. Die erforderlichen technischen Anlagen zur Umwandlung z.B. eines hydro-geothermalen Wärmestromes mit Temperaturen ab ca. 80°C in elektrische Energie haben Serienreife. Das größte Hindernis zu einer Umsetzung solcher Anlagen ist der große Aufwand zur Erschließung und Bereitstellung des Wärmeträgers. Es gibt einen direkten Zusammenhang sowohl energetischer als auch wirtschaftlicher Natur zwischen der möglichen Nutzung eines Wärmestromes geringer Temperatur und den erforderlichen Aufwendungen zur Bereitstellung des Wärmestromes. Es ist ein direkter Zusammenhang zwischen der Teufe einer geothermalen Lagerstätte und der wirtschaftlichen Grenztemperatur festzustellen. Der Nutzung tiefer geothermaler Quellen in überirdischen Anlagen sind enge energetische Grenzen gesetzt. Daraus lassen sich folgende grundsätzliche Aussagen ableiten: Wärmeströme geringer Temperatur mit geringem Aufwand für die Bereitstellung lassen sich schon heute wirtschaftlich in elektrische Energie umwandeln. Die Entwicklung z.B. von solarthermischen, von Abwärmenutzungs- bzw. von OTEC-Anlagen versprechen in absehbarer Zeit wirtschaftlichen Erfolg. Für geothermale Quellen ist ein direkter Zusammenhang zwischen der Teufe einer geothermalen Lagerstätte und der wirtschaftlichen Grenztemperatur festzustellen. Der Nutzung tiefer geothermaler Quellen in überirdischen Anlagen sind enge energetische Grenzen gesetzt. Die geothermal-fossile Hybridisierung bietet thermodynamische Vorteile, jedoch liegen die Kosten weit jenseits z.B. einer fossilen Speisewasservorwärmung. Die thermodynamischen Vorteile der Hybridisierung allein werden wahrscheinlich nicht zu einer Ausweitung der Nutzung geothermaler Energie führen. Die Nutzung in bivalenten wärmegeführten Anlagen bietet wirtschaftliche Vorteile, da mit der direkten Wärmenutzung die Wirtschaftlichkeit bereits früher erreicht wird und so die Erträge der elektrischen Energieerzeugung nur die Förderkosten decken müssen. Der Vorteil reduziert sich jedoch durch die wesentlich eingeschränkten Volllastzeiten. Einen Lösungsansatz bietet der Schwerkraftkreislauf. Diese Technik befindet sich noch im Versuchsstadium. Sie zeichnet sich jedoch durch zwei entscheidende Vorteile aus, sie kommt ohne Förder- und Speisepumpe aus und sie würde die Vorteile einer binären Anlage bei nur einer Bohrung bieten. Der enge Zusammenhang zwischen den Erschließungskosten und der erforderlichen Quellentemperatur muss auch bei der gegenwärtig forcierten Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der HDR-Technologie beachtet werden. Von den in Deutschland erschlossenen Erdwärmequellen sind nur 2 Standorte hinsichtlich der Quellentemperatur für eine Nutzung zur Umwandlung in Elektroenergie geeignet, Prenzlau und Neustadt-Glewe. Für Niedertemperaturquellen wird der beste Wirkungsgrad und die höchste Leistungsabgabe erzielt, wenn anstelle von Wasser organische Arbeitsmittel verwendet werden. Dies ist hauptsächlich darin begründet, dass die spezifische Verdampfungswärme organischer Medien deutlich unter der von Wasser liegt. Damit „folgt” das Arbeitsmedium in einem trilateralen Prozess der Wärmequelle deutlich besser, die Irreversibilitäten des Wärmetransportes können deutlich verringert werden. Auch der geringere Enthalpiesprung über der Turbine und das damit mögliche einfachere Design der Turbine sprechen für den Einsatz organischer Medien. Der Nettowirkungsgrad bei der Umwandlung von Niedertemperaturquellen kann bis zum 2-fachen des Wirkungsgrades eines klassischen Rankine-Prozesses mit Wasserdampf betragen. Der Rankine-Kreislauf mit organischem Arbeitsmittel gleicht – gesehen die einzelnen Komponenten – dem klassischen Kreislauf. Situation in DeutschlandIn Deutschland sind etwa 30 Erdwärme-Anlagen mit einer Leistung von insgesamt etwa 50 Megawatt in Betrieb. An mehreren weiteren Standorten laufen entsprechende Studien. So wird zum Beispiel untersucht, ob in das Fernwärme-Netz der Ruhr-Universität und der Fachhochschule Bochum Erdwärme eingespeist werden kann. Bei der Stromerzeugung aus Erdwärme kommt in erster Linie der Organic Rankine Cycle zum Einsatz.Der norddeutsche Raum verfügt geologisch bedingt über ein großes Potential geothermisch nutzbarer Energie in thermalwasserführenden Porenspeichern des Mesozoikums in einer Tiefe von 1.000 bis 2.500 m mit Temperaturen zwischen 50 und 100°C. Eine besondere Beachtung findet die Nutzung geothermischer Vorkommen in den neuen Bundesländern. Dort wurden vorwiegend in Mecklenburg-Vorpommern erstmals geothermische Anlagen in Nah- und Fernwärmenetze eingekoppelt. Eines der Pilotprojekte war die Geothermische Heizzentrale Neubrandenburg. Der Oberrheingraben bietet deutschlandweit besonders gute geologische Voraussetzungen (u.a. Wärmefluss, Struktur im Untergrund). An verschiedenen Standorten sind Projekte in Planung und im Bau. Für viele Regionen sind bereits Konzessionen erteilt worden. Baden-Württemberg hat ein Förderprogramm für Erdwärmesonden-Anlagen für kleine Wohngebäude aufgelegt, mit einer Förderung der Bohrmeter, siehe Weblinks. Siehe auch
Literatur
Weblinks
Wärmepumpen (Oberflächennahe Geothermie)
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