Demanega

Grundlagen

Das Erde besteht aus konzentrischen Kugelschalen mit unterschiedlichen Materialien und Dichten:

• Kontinentale Kruste: 30-50 km, Dichte von 2700-3000 kg/m³; Vorwiegend Magmatite, auch Sedimentgesteine und Metamorphite.

• Ozeanische Kruste: 5-10 km, Dichte von 3000-3300 kg/m³; Vorwiegend aus Basalt und Gabbro.

• Oberer Mantel: Bis etwa 660 km, Dichte von 3300-4400 kg/m³; Peridotit (reich an Olivin und Pyroxen).

• Übergangszone: 410-660 km, Dichte: 3500-3700 kg/m³; Veränderungen in der Mineralstruktur aufgrund von Druck und Temperatur.

• Unterer Mantel: 660-2900 km, Dichte von 4400-5600 kg/m³; Eisen- und magnesiumreiche Silikate.

• Äußerer Kern: 2900-5100 km, Dichte von 9900-12200 kg/m³; Flüssiges Eisen und Nickel mit leichten Elementen wie Schwefel und Sauerstoff.

• Innerer Kern: 5100-6371 km, Dichte von 12800-13100 kg/m³; Festes Eisen und Nickel. Während der äußere Kern flüssig ist, ist der innere Kern aufgrund des hohen Druckes fest.

Der äußere Kern der Erde erreicht Temperaturen von bis zu 5000 bis 7000 Grad Celsius. Diese Erdwärme stammt aus der Entstehung der Erde sowie aus dem Zerfall radioaktiver Isotope, etwa Uran. Aus diesem Temperaturverlauf ergeben sich Wärmeleitung (Konduktion) und Strömungstransport in Gasen und Flüssigkeiten (Konvektion) im Erdmantel und unterhalb der Erdkruste , die je nach geologischer und hydrologischer Beschaffenheit variieren.

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. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass die Temperatur der Kruste um 3 Grad Celsius alle 100 Meter zunimmt. Der Mantel hat bereits Temperaturen von über 1200 Grad Celsius.

Die obersten Schichten unseres Bodens sind durch die Klima- und Wetterverhältnisse geprägt. Bis zu einem Meter unterhalb der Bodenoberfläche ist von der frostgefährdeten Schicht die Rede. Bei 20 Metern Tiefe ist eine ausgeglichene Temperatur erreicht, die nicht mehr von äußeren Luft- und Witterungsverhältnissen abhängig ist und mit rund 12 Grad Celsius antzusetzen ist.

Geothermische Erkundung

Die geologischen und hydrogeologischen Zusammenhänge sind für die effiziente Nutzung der Geothermie wesentlich. Zu ermitteln ist der nutzbare Wärmestrom (Wärmeleitung und Strömung), der von den geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen ableitbar und über Kennwerte erfassbar ist.

Die Erkundung umfasst die Untersuchung des geologischen Untergrundaufbaus, der Trennflächen, der tektonischen Gefüge, der Gesteinseigenschaften, der Erfassung des geothermischen Nutzhorizonts sowie der hydraulischen Verhältnisse.

Oberflächen-Geothermie

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.

Tiefen-Geothermie

In der Tiefengeothermie kommen tiefe Erdwärmesonden, hydrothermale Systeme sowie petrothermale Systeme zur Anwendung.

Erdwärmesonden sind vertikal geschlossene Systeme. Hydrothermale Systeme nutzen warme (> 60 Grad Celsius) oder heiße (> 100 Grad Celsius) Tiefenwässer. Petrothermale Systeme nutzen hingegen Sondenrohre mit Wärmeträgerflüssigkeit. Durch Fracking-Maßnahmen werden Risse im Gestein erzeugt, in welche kaltes Wasser eingeleitet wird. Benötigt werden Ausgangstemperaturen von über 150 Grad Celsius, um die Systeme zur Stromerzeugung zu nutzen.

Als Niederenthalpielagerstätten sind solche bis 200°C zu verstehen, darüber ist von Hochenthalpielagerstätten die Rede.

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.

Diese Anforderungen machen mit Blick auf Mitteleuropa entweder große Tiefen erforderlich oder aber Anlagen mit einem geringen Wirkungsgrad. Die Tendenz hängt allerdings stark von der Marktlage im Energiebereich ab.

In Ländern mit vorteilhaften hydrogeologischen Verhältnissen, etwa 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.

Bohrungen: Erkundung und Methode

Literatur:

[1] Helmut Prinz und Roland Strauß: „Ingenieurgeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2017

[2] Mathias Bauer, Willi Freeden, Hans Jacobi, Thomas Neu: „Handbuch Tiefe Geothermie: Prospektion, Exploration, Realisierung, Nutzung“, Springer Spektrum, Berlin 2014

[3] Mathias Bauer, Willi Freeden, Hans Jacobi, Thomas Neu: „Handbuch Oberflächennahe Geothermie“, Springer Spektrum, Berlin 2018