Was ist Geothermie?

Geothermie – Wärme aus der Erde

„Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde“, so die kurze und prägnante Definition des VDI (Verein Deutscher Ingenieure). 99 Prozent unseres Planeten sind heißer als 1000 °C, von dem verbleibenden Rest sind 99 Prozent heißer als 100 °C. Die mit heutiger Tiefbohrtechnik erschließbare geothermische Energiereserve wird weltweit auf das rund 30-Fache aller fossilen Reserven (Kohle, Erdöl, Gas) geschätzt. Im Mittel nimmt die Temperatur in der Erdkruste pro 1000 Meter um 30 °C zu. Dieser durchschnittliche Temperaturanstieg wird auch als „geothermischer Gradient“ bezeichnet. Dies ist ein Mittelwert und kann sich von Region zu Region unterscheiden. In Deutschland liegt der niedrigste geothermische Gradient bei 20 °C/km, wobei der höchste 100 °C/km beträgt.
Die Wärme, die im Erdinneren gespeichert ist, entweicht nur sehr langsam, da die Gesteinsschichten, die den Erdkern umgeben, eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit besitzen. Wird die geothermische Energie nicht genutzt, so wird sie unverbraucht in den Weltraum abgestrahlt.

Die Wärme aus dem Inneren unseres Planeten hat drei Ursprünge:

  • Restwärme aus der Entstehungszeit der Erde
  • Zerfall radioaktiver Isotope
  • Sonneneinstrahlung

Wärmeenergie aus der Entstehungszeit der Erde

  • Um zu verstehen, warum im Inneren der Erde heute Temperaturen von bis zu 6000 °C herrschen, müssen wir zunächst die Zeit betrachten, in der unsere Erde entstanden ist.
  • Vor rund 4,6 Mrd. Jahren entstand eine Wolke aus kosmischem Staub und Gas. Weitere Partikel kollidierten mit dieser ersten Ansammlung kosmischer Partikel. Es folgten unzählige weitere Kollisionen mit anderen Teilchen oder anderen Planeten. Dadurch wurde die Masse der Erde immer größer, bis unser Planet schließlich seine heutige Größe erreicht hatte.
  • Die kinetische Energie (Bewegungsenergie), die bei jeder Kollision freigesetzt wurde, wandelte sich in Wärmeenergie um und erhitzte so die Ansammlung der Materie immer mehr. Heute macht diese Urwärme im Inneren der Erde ganze 30 bis 40 Prozent der gesamten Wärmeenergie aus, die in der Erde gespeichert ist.

Wärmeenergie, erzeugt durch den Zerfall radioaktiver Isotope

Auch der Zerfall langlebiger radioaktiver Isotope trägt in einem Maße von weiteren 40 bis 50 Prozent zur gesamten Wärmeproduktion der Erde bei. Isotope sind Atome desselben Elements, die sich jedoch in ihrer Neutronenzahl unterscheiden. Radioaktive Isotope sind Isotope die nicht stabil sind, sondern im Laufe der Zeit zerfallen. Obwohl immer Wärme entsteht, wenn radioaktive Isotope zerfallen, tragen nur jene Isotope entscheidend zur Wärmeproduktion der Erde bei, die in relativ großen Mengen vorhanden sind und Halbwertszeiten haben, die vergleichbar sind mit dem Alter unseres Planeten. So sind zum Beispiel 40K, 232Th, 235Th Isotope, die bei ihrem Zerfall natürliche Kernenergie produzieren und die entsprechenden Halbwertszeiten besitzen. Diese Elemente findet man vorwiegend in Mineralen wie Feldspat oder Glimmer.


Sonneneinstrahlung

Die Wärme, die durch die Sonneneinstrahlung auf die Erde trifft, trägt einen nur sehr geringen Teil zur gesamten Wärmeenergie der Erde bei. Die von der Sonne abgegebene Strahlung ist lediglich für die oberflächennahe Geothermie von Bedeutung, die mittels geothermischer Wärmepumpen genutzt wird.


Geothermie ist nicht gleich Geothermie

Bei geothermischen Quellen unterscheidet man grundsätzlich zwischen tiefer Geothermie und oberflächennaher Geothermie. Oberflächennahe Geothermie wird hauptsächlich zur Wärme- und Kälteerzeugung mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt. Von tiefer Geothermie spricht man immer dann, wenn es sich um Tiefen über 400 Meter handelt.

Weiterhin unterscheidet man zwischen Hochtemperatur- (ab ca. 150 °C) und Niedertemperatur-Lagerstätten (90 °C bis ca. 150 °C).

Bei der Nutzung der tiefen Geothermie kann zwischen hydrothermalen und petrothermalen Systemen unterschieden werden.


Hochtemperatur-Lagerstätten

Hochtemperatur-Lagerstätten findet man meist in vulkanisch aktiven Gebieten, wo Kontinentalplatten aufeinandertreffen und der Wärmefluss aus dem Erdinneren relativ groß ist. Dort steigt Magma relativ dicht an die Erdoberfläche auf. Das Magma erhöht die Temperatur der umgebenden Gesteine und ermöglicht eine wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme. Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen über 150 °C können so direkt zur Produktion von Strom mittels des Antriebs einer Turbine genutzt werden. Die Stromgewinnung aus geothermalen Quellen erfolgt bisher hauptsächlich in Ländern, die über Hochtemperatur-Lagerstätten verfügen (meist Vulkangebiete), in denen Temperaturen von mehreren Hundert Grad in vergleichsweise geringen Tiefen (< 2000 m) vorherrschen. Je nach Druck und Temperatur in den jeweiligen Lagerstätten wird Wasser oder Dampf zum Antrieb der Turbinen genutzt. Die ausgekühlten Fluide werden nach ihrer Nutzung wieder über eine Bohrung in den Untergrund verpresst, sodass praktisch keine negativen Umweltauswirkungen (z. B. Schwefelgeruch) auftreten. Eine Vorreiterrolle bei der geothermischen Stromproduktion nimmt Island ein. Bezogen auf die Pro-Kopf-Nutzung der Geothermie ist Island heute Spitzenreiter mit 200 MWel installierter Gesamtleistung. Die USA führen dagegen mit einer installierten Gesamtleistung von 2000 MWel vor Indonesien. Heute werden durch die Nutzung von geothermalen Hochtemperatur-Lagerstätten weltweit ca. 9000 MWel Elektrizität produziert.


Niedertemperatur-Lagerstätten

Diese geothermalen Lagerstätten sind vor allem in nicht-vulkanischen Gebieten zu finden und ihre Temperaturen entsprechen dem vorherrschenden geothermischen Gradienten. Allgemein gilt: Je höher die benötigte Temperatur ist, desto tiefer muss gebohrt werden. Das Vorkommen dieser geothermischen Quellen ist weltweit dreimal so häufig wie das der Hochtemperatur-Lagerstätten. Niedertemperatur-Lagerstätten wurden bis vor wenigen Jahren ausschließlich zum Beheizen von Gebäuden, Thermalbädern oder zur Bereitstellung von Wärme für industrielle Prozesse genutzt. Durch die stetige Weiterentwicklung thermodynamischer Prozesse wie des Kalina-Kreislaufprozesses oder des Organic-Rankine-Verfahrens (ORC) ist es heute möglich, Niedertemperatur-Lagerstätten für die Gewinnung von Elektrizität zu nutzen. Für die Erzeugung von Elektrizität muss mindestens eine Temperatur von ca. 100 °C in der Lagerstätte herrschen. Die Nutzung dieser Technologien in Deutschland befindet sich noch in der Entwicklungsphase, wobei die Bohr- und Fördertechnologie im Wesentlichen auf den jahrzehntelangen Erfahrungen der Erdöl- und Erdgasindustrie aufbaut.


Hydrothermale und petrothermale Systeme (Enhanced Geothermal Systems)

Bei hydrothermalen Systemen handelt es sich um Grundwasserleiter in einer Tiefe von 3000 Meter, deren heißes Wasser (> 100 °C) zur Gewinnung von elektrischem Strom eingesetzt wird. In Süddeutschland sind zahlreiche Projekte zur Stromerzeugung aus hydrothermalen Systemen im Gange bzw. im Entstehen. Diese tiefen Grundwasserleiter (Aquifere, Wasserreservoirs) sind hauptsächlich im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben, aber auch im Norddeutschen Becken zu finden.

Die Nutzung petrothermaler Systeme wurde schon eingehend erforscht und stellt auch heute einen aktuellen Forschungsschwerpunkt der Geothermie dar. Dies geschieht zum Beispiel in einem Pilotprojekt in Soultz-sous-Forêts im Elsass. Bei dieser Nutzungsart der Geothermie wird die Wärme der Gesteine in größeren Tiefen zur Stromerzeugung genutzt. Um diese Wärme nutzen zu können, müssen die Steine von einem Wärmeträger (Wasser) durchflossen werden, der dem Gestein die Energie entzieht und anschließend an die Oberfläche befördert. Das durch die heißen Gesteine erhitzte Wasser kann zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen sowie zur Erzeugung von Strom genutzt werden.

In Deutschland werden derzeit jedoch fast ausschließlich hydrothermale Systeme erschlossen, da diese erprobter und kostengünstiger in der Umsetzung sind.
 

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