Geothermie
Zu den erneuerbaren oder regenerativen Energien zählt auch die Geothermie. Dabei handelt es sich um die in der Erdkruste gespeicherte Erdwärme, die allerdings zugänglich sein muss sowie entzogen und genutzt werden kann. Diese gespeicherte Energie in der Erde kann zur Erzeugung von elektrischer Energie, zum Heizen oder Kühlen genutzt werden. Allerdings wird die wissenschaftliche Untersuchung des Erdkörpers nach thermischer Situation auch als Geothermie bezeichnet.
Etwa 30 bis 50 Prozent der Geothermie sind Restwärme, die aus der Zeit der Akkretion oder Erdentstehung stammen. Seit Jahrmillionen wird aus den radioaktiven Zerfallsprozessen in der Erdkruste kontinuierlich Wärme erzeugt und dabei handelt es sich um die anderen 50 bis 70 Prozent der Geothermie. Im inneren Erdkern beträgt die Temperatur schätzungsweise zwischen 4800 bis 7700 Grad Celsius. Immerhin sind 99 Prozent unserer Erde heißer als 1000 Grad Celsius. Die Temperatur im Erdreich in etwa 1000 Metern Tiefe beträgt etwa 35 bis 40 Grad Celsius, manchmal kann die Temperatur in diesen Tiefen z.B. in Vulkangebieten mehrere hundert Grad Celsius erreichen.
Vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet sich daher die Geothermie. Heraus geholt wird die Wärme aus der Erde mittels einer Wärmeleitung durch aufsteigende Gase oder Tiefenwässer und dadurch in Tiefen transportiert, die für die Nutzung erreichbar ist. In einigen Gebieten, auch in Deutschland, kann der Wärmefluss wesentlich größer sein. Zu den anomalen geothermischen Gebieten zählen vulkanische Bereiche, die noch aktiv sind oder bis vor kurzem geologisch gesehen aktiv waren. In Deutschland ist dieses Gebiet z.B. der Schwäbische Vulkan bei Bad Urach. Gebiete mit großer Wärmestromdichte, Gebiete, die oberhalb der auskühlenden Plutonite liegen, Gebiete, die einen hohen Wärmetransport durch Konvektion haben z.B. in großen Grabenbrüchen und die Gebiete mit frei verfügbarem heißem Tiefenwasser gehören auch zu den anomalen thermischen Gegenden, in denen der Wärmefluss größer ist.
Unterschieden wird in der Geothermie als Energiequelle, die zur Produktion von Wärme und Strom genutzt werden kann, zwischen der oberflächennahen und der tiefen Geothermie. Die oberflächennahe Geothermie kann direkt zum Heizen und Kühlen als Wärmepumpenheizung genutzt werden, während die tiefe Geothermie direkt im Wärmemarkt oder indirekt zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Außerdem wird noch zwischen "Hoch- und Niederenthalpie-Lagerstätten" unterschieden. Hochenthalpie steht für hohe Temperaturen in den Lagerstätten, die weltweit zur Stromerzeugung genutzt werden.
Diese Hochenthalpie-Lagerstätten befinden sich in der Nähe von Vulkanen, denn dort sind bereits in geringer Tiefe Fluide wie z.B. Dampf und Wasser mehrere hundert Grad heiß. Genutzt werden kann das heiße Fluid zur Speisung von Fernwärmenetzen oder zur Bereitstellung von Industriedampf. Der Industriedampf wiederum kann zur Stromerzeugung genutzt werden. Dabei wird das erhitzte Wasser aus dem Untergrund zum Antreiben einer Dampfturbine verwendet. Ein Sieden des gepressten Wasser wird durch den enormen Druck, der sich im geschlossenen Kreislauf des Zirkulationssystems befindet, verhindert und der Dampf entsteht an der Turbine.
Die Niederenthalpie-Lagerstätten befinden sich im nichtvulkanischen Gestein, in dem die Temperaturen sehr unterschiedlich sein können. Damit die Stromerzeugung wirtschaftlich ist, sind Temperaturen erforderlich, die mindestens 100 Grad Celsius haben. Bei der Wärmeentnahme aus dem Untergrund wird in der tiefen Geothermie unter verschiedenen Verfahren unterschieden, die von den geologischen Voraussetzungen, der benötigten Energiemenge und der Temperatur abhängen. Diese Lagerstätten der Niederenthalpie werden vermehrt zur Wärmegewinnung genutzt, da der Wirkungsgrad höher ist. Zurzeit werden in Deutschland hydrothermale Systeme geplant u.a. gibt es ein Pilotprojekt in Bad Urach.
Bei dem hydrothermalen System kann die Energie zur Strom- sowie zur Wärmegewinnung genutzt werden. Bei entsprechenden Temperaturen kann das Wasser aus einem Aquifer gefördert, abgekühlt und wieder reinjiziert werden. Dabei zirkulieren die im Untergrund vorhandenen Thermalwässer zwischen zwei Brunnen über eine natürliche Grundwasserleiter, die meistens vorhanden ist.
Beim Petrothermalen System handelt es sich um ein Gestein, welches zwar hohe Temperaturen aufweist, aber trocken ist und aus dem keine Förderung von Wasser möglich ist. In diesem Fall wird durch ein künstlich erzeugtes Risssystem zwischen zwei tiefen Brunnen ein Wärmeträgermedium, meistens Wasser gepresst. Durch den enormen Druck werden Fließwege ausgeweitet oder aufgebrochen, um die Durchlässigkeit des Steins zu erhöhen. Danach ist die Wärmeübertragungsfläche nicht mehr zu klein und es kann ein künstlicher geothermischer Wärmeüberträger gebildet werden. Eine zweite Förderbohrung bringt das Trägermedium wieder an die Oberfläche.
Tiefe Erdwärmesonden können nur wenig Energie extrahieren. Es handelt sich um ein geschlossenes System mit dem Erdwärme gewonnen wird. Dazu wird bei einer Bohrung in 2000 bis zu 3000 Meter Tiefe ein Fluid in ein koaxiales Rohr eingeschlossen. Das kalte Wärmeträgerfluid fließt nach unten und steigt danach erwärmt in einer dünnen Steigleitung wieder nach oben. Hierbei besteht kein Kontakt zum Grundwasser. Diese Erdwärmesonden sind an jedem Standort möglich. Allerdings beträgt die Energie auch nur einige hundert kW, da sie kleiner sind, als ein offenes System.
Auch mit einer oberflächennahen Geothermie ist es möglich, eine Wärmepumpenheizung zu betreiben. Die Temperaturen im Erdreich schwanken nicht so stark, wie die Temperaturen in der Luft. In einer Tiefe zwischen fünf und zehn Metern liegt die Temperatur z.B. in Deutschland konstant zwischen acht und zehn Grad Celsius. Diese Wärme kann mit Hilfe von vertikalen Erdwärmesonden oder von oberflächennahen horizontalen Erdwärmekollektoren an die Oberfläche befördert werden. Zur Realisierung der Heizanwendungen im Gebäude werden Wärmepumpen eingesetzt. Solch eine Wärmepumpenheizung kann im Sommer auch zur Kühlung benutzt werden.
Es gibt noch viele weitere Möglichkeiten in der Geothermie, so kann z.B. bei Tunnelbauwerken das austretende Tunnelwasser zur Energiegewinnung genutzt werden. Es wird in der Schweiz am Südportal des St. Gotthard-Straßentunnels bereits erfolgreich praktiziert.
Der Vorteil der Geothermie ist, dass sie jederzeit zur Verfügung steht und nicht von der Sonne oder vom Wind abhängig ist. Kombiniert werden kann die Geothermie besonders gut mit der Solarthermie. Da die Solarthermie speziell im Sommer viel Energie zur Verfügung stellt, aber nicht in diesem Umfang gebraucht wird, kann die überschüssige Energie in den unterirdischen Wärmespeichern eingespeist werden und im Winter wieder abgerufen werden.
Die Gebäudekühlung ist eine weitere Nutzungsmöglichkeit der Geothermie. Es ist eine natürliche Kühlung, bei der das Wasser in der Temperatur des flachen Untergrunds zur Gebäudekühlung verwendet werden kann. Diese Kühlung könnte die elektrischen Klimageräte ersetzen, wird allerdings zurzeit noch selten angewendet.
Langfristig kann die Geothermie rund um den Erdball angewendet werden. Dabei wird unter "Direkter Nutzung", bei der die Wärme direkt genutzt wird und "Indirekter Nutzung", hier wird die Energie in elektrischen Strom umgewandelt, unterschieden. Bereits im Römischen Reich und auch im Chinesischen Kaiserreich wurde die Geothermie angewandt. Das erste geothermische Fernwärmenetz existierte bereits im 14. Jahrhundert in Chaudes-Aigues in Frankreich.
Weltweit gehört die Geothermie zu den bedeutenden Erneuerbaren Energien. In Ländern, die über Hochenthalpie-Lagerstätten verfügen wie z. B. Island erfolgt ein Großteil der Energieversorgung bereits über die Geothermie. Aus der Forschung Islands stammen viele Neuentwicklungen, außerdem ist Island führend in der Nutzung der Erdwärme durch Geothermie z.B. werden Gehsteige in Reykjavik und Akureyi im Winter beheizt. In den Vereinigten Arabischen Emiraten soll mit Hilfe eines neuen Geothermie-Projektes die Ökostadt Masdar mit Kühlung versorgt werden.
In Deutschland steht die geothermische Stromerzeugung noch am Anfang. Das "Deutsche GeoForschungsZentrum in Potsdam" und der "Niedersächsische Forschungsverbund - Geothermie und Hochleistungsbohrtechnik - gebo" beschäftigen sich intensiv mit dem Thema. Allerdings erstreckt sich das Eigentum am Grundstück nicht auf die Erdwärme. Es muss eine Erlaubnis für oberflächennahe Geothermie eingeholt werden und für Bohrungen über 100 Meter in die Tiefe ist ein bergrechtlicher Betriebsplan notwendig. In Mecklenburg-Vorpommern steht das erste deutsche geothermische Kraftwerk mit einer Leistung bis zu 230 kW. Das 97 Grad heiße Wasser wird aus einer Tiefe von 2250 Metern gefördert und zur Strom- sowie zur Warmwasserversorgung verwendet.