Energiepotential der Geothermie

Im Rahmen erneuerbarer Energieversorgung wird die Geothermie eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Ob in Form direkter Nutzung oder zur Stromerzeugung im Energie-Mix.

Davon ausgehend, dass das Erdinnere aus einem inneren und einem äußeren Kern besteht, wobei der äußere Kern flüssig ist und Temperaturen von bis zu 5000°C erreicht, lassen sich Wärmeleitung (Konduktion) und Strömungtsransport in Gasen und Flüssigkeiten (Konvektion) im Erdmantel und unterhalb der Erdkruste ableiten, die je nach geologischer und hydrologischer Beschaffenheit variieren. Daraus lässt sich erahnen, dass bestimmte geologische sowie hydrologische Gegebenheiten Phänomene wie heiße Quellen oder Geysire entstehen lassen.

Die Erde strahlt täglich etwa viermal mehr Energie in den Weltraum ab, als wir Menschen derzeit an Energie verbrauchen. 30 % des an die Erdoberfläche steigenden Energiestroms kommen aus dem heißen Erdkern selbst. 70 % entstehen durch den ständigen Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente in Erdmantel und Erdkruste.

Bundesverband Geothermie (Link)

Die obersten Schichten unseres Bodens sind durch die Klima- und Wetterverhältnisse geprägt. Beim Bauen ist die frostgefährdete Schicht, die – zumindest im mitteleuropäischen Raum – bis zu einem Meter unter der Oberfläche reicht, diesbezüglich relevant. Bei 20 Metern Tiefe ist eine ausgeglichene Temperatur erreicht, die nicht mehr von äußeren Luft- und Witterungsverhältnissen abhängig ist. Die Temperaturen in 20 Metern Tiefe betragen ca. 12°C, während die Temperatur dann in Mitteleuropa alle 100 Meter um rund 3°C zunimmt (Bundesverband Geothermie, Quelle).

Grundsätzlich ist zwischen Oberflächen-Geothermie und Tiefen-Geothermie ab einer Tiefe von 400 Meter zu unterscheiden. Bis zu einer Tiefe von 400 Metern sind Temperaturen von bis zu 25°C erwartbar.

Während oberflächennahe geothermische Wärme in ihrer direkten Form in Deutschland schon länger erfolgreich genutzt wird, ist die Nutzung der Tiefengeothermie sowohl zur Wärme als auch zur Stromerzeugung noch im Anfangsstadium. In anderen Ländern wie z. B. Island, Italien, Indonesien oder den USA ist die geothermische Stromerzeugung insbesondere dank besserer geologischer Bedingungen weiter fortgeschritten und leistet wichtige Beiträge zur Energieversorgung. Die in Deutschland vergleichsweise geringen Temperaturen im Untergrund erfordern teilweise eine andere Herangehensweise und erschweren die Erschließung des Potentials.

TU München: „Potential der hydrothermalen Geothermie zur Stromerzeugung in Deutschland“, 2017 (Link)

Oberflächengeothermie

Die Nutzung der Geothermie bis 400 Meter erfolgt über:

  • Erdwärmesonden: Erdwärmesonden sind vertikale Bohrungen in einer Tiefe von 50 bis 160 Metern. Eine Wärmeträgerflüssigkeit nimmt die Wärme im Erdreich auf, die mittels Wärmepumpe an die Oberfläche transportiert wird. Eine Wärmepumpe funktioniert nach dem folgenden Prinzip: Die Wärmeenergie wird durch ein Kältemittel, etwa Propan, von der Umgebung in einem Verdampfer aufgenommen und sodann in einem Kompressor mittels Verdichtung umgewandelt. Hierzu ist elektrische Energie notwendig. Das verdichtete Medium erhitzt stark, gibt seine Wärme in einem Wärmetauscher (Kondensator) sodann an ein weiteres Medium, etwa Wasser, ab und kühlt dabei ab. Im Gegenzug erwärmt das Wasser. In einem Expansionsventil entspannt das Kältemittel und kühlt stark ab. Der Prozess ist geschlossen.
  • Grundwasserwärmepumpen: Hierbei wird das vorhandene Grundwasser genutzt, das an die Oberfläche gepumpt wird, wo die Wärme im Grundwasser übertragen wird.
  • Erdwärmekollektoren: Damit sind ähnlich dem Prinzip der Erdwärmesonden Kollektoren gemeint, die oberflächennah mit einer Tiefe bis zu 1,60 Meter schlangenlinienförmig verlegt werden und folglich – begrenzt – durch die Untergrundtemperatur beeinflusst werden. Das Potential ist verständlicherweise weitaus geringer als jenes der Erdwärmesonden.
  • Energiepfähle: Geotechnische Tragteile wie Bohrpfähle werden als Energiepfähle genutzt, indem Wärmetauschrohre in den Beton eingebracht werden. Die geologische Tiefe, die sich aus statischen und bodenmechanischen Gründen ergibt, wird folglich effizient für die Energieversorgung mitgenutzt.

Tiefengeothermie

Im Rahmen der Tiefengeothermie kommen grundsätzlich die gleichen Technologien zur Anwendung, die auch im Rahmen der Oberflächengeothermie eingesetzt werden. Das Potential ist aufgrund der Tiefe allerdings ein gänzlich anderes. Als Niederenthalpielagerstätten sind solche bis 200°C zu verstehen, darüber ist von Hochenthalpielagerstätten die Rede.

Stromerzeugung

Damit Erdwärme effizient zur Herstellung von elektrischem Strom eingesetzt werden kann, sind hohe Temperaturen ab 80°C notwendig, was die Standortanforderungen komplexer macht. im Prinzip geht es darum, durch die Sonde Wärme in Form von Wasserdampf zu entnehmen, diese in Gasturbinen in elektrische Energie umzuwandeln und im Kondensator wieder als flüssiges und abgekühltes Wasser an das Erdreich zurückzugeben.

Aus der Technologie und durch die Anforderungen an den Standort ergibt sich, dass im mitteleuropäischen Raum – im Normalfall – große Tiefen oder geringe Wirkungsgrade der Fall sind.

Potential Erdwärme

In Ländern mit vorteilhaften hydro-geologischen wie in Island beträgt der Anteil der Geothermie an der direkten Nutzung in Form von Wärme rund 90%, während ein Viertel des elektrischen Strombedarfes aus Erdwärme kommt. Der Rest entstammt de Wasserkraft, wodurch sich Island durch vollständige erneuerbare Energieversorgung auszeichnet.

Darüber hinaus ist die Versorgung mit elektrischer Energie aus Geothermie besonders an Standorten mit Vulkanen naheliegend.

In Mitteleuropa vollzieht sich die Erzeugung von elektrischem Strom aus Erdwärme – mit Ausnahme Island und Schweden – eher zaghaft. Weitaus verbreiteter ist der Einsatz von Erdwärme zur Wärmeversorgung. In Deutschland sind nur rund 0,8% der Energie aus Fernwärme aus Solar- oder Geothermie stammend. Rund 5% der Wärmeversorgung stammt aus elektrischer Energie inklusive Wärmepumpen. Das Ausbaupotential ist folglich gegeben und stark steigend.

Der Anteil an Heizöl und Erdgas wird nämlich – aufgrund der strategischen ökologischen Planungen der Energiepolitik stark rückläufig sein. Erdgas wird zumindest zum Teil durch Biogas ersetzt – oder es wird Methan aus Wasserstoff erzeugt. Wasserstoff eignet sich allerdings auch zur kombinierten Kraft-Wärme-Kopplung und kann direkt aus Solar- und Windenergie erzeugt werden. Denkbar ist aber auch der Ursprung aus Wasserkraft, indem die elektrische Energie zur Beheizung verwendet wird, ob als Antrieb für Wärmepumpen, über die Herstellung von Wasserstoff oder Methan oder direkt. Feststoffe wir Holz und Pellets haben zwar – aufgrund des nachwachsenden und ökologisch wertvolen Rohstoffes Holz – eine positive Klimabilanz, die alleinige Verbrennung der Feststoffe ist allerdings alles andere als klimaneutral.

In diesem Mix an Energieträgern wird Geothermie nolens volens an Bedeutung gewinnen, weil das Potential an erneuerbarer Energie vorhanden und groß ist. In diesem Sinne spielt Erdwärme auch bei innovativen und futuristischen, wenngleich umstrittenen Städtebauprojekten im Nahen Osten eine wesentliche Rolle.

Beheizungsstruktur im Neubau und Bestand (Link)

Bild von Klaus Stebani auf Pixabay

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