6. Geothermie

Geothermie oder auch Erdwärme ist Wärme, die vom Kern im Erdinneren an die Erdoberfläche dringt. Bei dem Prozess der Erdwärmegewinnung werden die auf dem Weg liegenden Erd- und Gesteinsschichten, sowie Wasserreservoirs erhitzt.

An manchen Stellen dringen aber auch heißes Wasser und Dampf beispielsweise als heiße Quellen natürlich an die Erdoberfläche. Je tiefer man bei der Erdwärmegewinnung ins Erdinnere vordringt, um so heißer werden die Erd- und Gesteinsschichten; in Mitteleuropa steigt die Erdwärme um drei Grad pro 100 Meter Tiefe, so hat der oberste Erdmantel ungefähr eine Temperatur von 1.300 Grad Celsius, die Temperatur am Erdkern beträgt ungefähr 5.000 Grad Celsius.

Deutschland hat einen hohen Anteil an Fläche mit Energieressourcen für Erdwärmegewinnung. Die Nutzung dieser Energieressourcen als eine Art der regenerativen Energien birgt einige Vorteile. Erdwärme als solche ist unerschöpflich und fast überall zur Wärmegewinnung verfügbar.

Zudem können Systeme, die mit Erdwärme arbeiten neben dem Heizen von Gebäuden auch zur Kühlung und Klimatisierung dieser beitragen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Erdwärme direkt also ohne Zwischenverarbeitung zum Heizen von Gebäuden oder anderer Wärmeverbraucher eingesetzt werden kann. Zum Speichern bzw. zur Gewinnung von Erdwärme gibt es verschiedene Speichersysteme.

Zu den Speicherarten zählen der Aquiferspeicher, der Tiefenspeicher sowie der Hohlraumspeicher. Hohlraumspeicher sind mit Wasser gefüllte Hohlräume ehemals anderer Nutzung wie zum Beispiel Stollen.

Erdsonden und Bohrlochspeicher stehen im direkten Kontakt zur Wärmequelle.
Diese Systeme werden anschaulicher durch die Erklärung der verschiedenen Arten der Erdwärmenutzung. Grundsätzlich lassen sich zunächst zwei Möglichkeiten der Erdwärmenutzung unterscheiden.

Entweder das Transportmittel für die Wärme ist bereits natürlich in Form von Wasserdampf oder heißem Wasser vorhanden oder aber Wasser wird zur Erwärmung in den Untergrund geleitet.

Erdwärme kann nicht nur zu Heiz- und Kühlungszwecken verwendet werden, sondern auch zur Stromerzeugung genutzt werden, allerdings fallen bei der Stromerzeugung mit Hilfe von Erdwärme zusätzlich große Mengen an Wärme an. Diese Zusatzwärme bei der Stromerzeugung kann nur genutzt werden, wenn die Gebäude in der Umgebung über ein Nahwärmenetz versorgt werden, in das die Wärme eingeführt werden kann. Aus diesem Grund ist die Verbreitung von Nahwärmenetzen eine unbedingte Voraussetzung um das große Potential an Erdwärme zu erschließen.

Zur Gewinnung von Erdwärme gibt es vier bereits erprobte Verfahren. Das Hot-Dry-Rock-Verfahren, bei dem heiße trockene Gesteinschichten in bis zu fünf Kilometer Tiefe zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.
Bei dem Hot-Dry-Rock-Verfahren werden zunächst sogenannte Tiefenbohrungen angelegt. In diese Tiefenbohrung wird Wasser unter hohem Druck mit hohen Fließraten in das Gestein gepresst. Diesen Vorgang bezeichnet man als hydraulische Stimulation.

Vorhandene Risse im Gestein werden hydraulisch aufgeweitet, um die Durchlässigkeit des Gesteins zu erhöhen, die Wärmetauschfläche und Durchgängigkeit des Gesteins wäre ohne diesen Vorgang viel zu gering.
In einer Anlage des HDR-Verfahrens wird kaltes Wasser in die Tiefe der Injektionsbohrung gepumpt, welches im Erdreich erwärmt wird und durch das Gestein zum Endpunkt der zweiten Bohrung gelangt. Über die Produktionsbohrung wird das warme Wasser wieder zurück an die Oberfläche gepumpt.

Das Verfahren wird zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen über Wärmetauscher sowie zur Bereitstellung von Industriedampf zur Gewinnung von Strom genutzt. Da das Vorkommen von kristallinen Gesteinen in Deutschland sehr hoch ist, können 95 Prozent des geothermischen Potentials der HDR-Technik zugeordnet werden. Die Ausschöpfung des Potentials wird jedoch durch heute noch fehlende Wirtschaftlichkeit gehemmt.
Bohrungen bis 5.000 Meter Tiefe verursachen Kosten von 4 Millionen Euro.

Die Investitionskosten für eine solche Anlage betragen 2.500 bis 5.000 Euro pro KW; die Stromgestehungskosten bei einer Auslastung der Anlage von 8.000 Vollaststunden pro Jahr betragen 7 bis 15 Cent pro KWh.

Als zweites Verfahren lassen sich die "Hydrothermalen Systeme mit hohem Temperaturangebot" nennen. Mit diesen Systemen wird die Förderung von heißem Wasser aus den Aquiferen, den wasserführenden Schichten, zur Strom- und Wärmeerzeugung unterstützt. Für die Stromerzeugung allerdings muss das Wasser eine Temperatur von mindestens 100 Grad Celsius haben. In Deutschland muss man um Aquiferen mit einer Wassertemperatur von 100 Grad Celsius zu erreichen 4.000 Meter tief bohren, was allerdings nur an ausgewiesenen Standorten möglich ist.

Hydrothermale Systeme funktionieren wie folgt:
Thermalwasser wird über eine Bohrung an die Erdoberfläche geführt, nach Wärmeaustausch wird das Wasser über eine zweite Bohrung in die Tiefe rückgeleitet um die Mengenbilanz an Wasser im Untergrund zu erhalten.

Thermalwässer können aus Umweltschutzgründen nicht oberirdisch entsorgt werden, da sie einen zu hohen Mineralgehalt aufweisen.

Die beschriebenen hydrothermalen Systeme mit hohem Temperaturangebot werden für das Betreiben von Dampfturbinen zur Stromgewinnung und für die Abgabe von Wärme an andere Wärmeverbraucher genutzt. Weiter gibt es hydrothermale Systeme mit niedrigem Temperaturangebot, bei denen die Temperatur der Tiefengewässer 40 bis 100 Grad Celsius beträgt.
Diese Systeme können nicht zur Stromerzeugung genutzt werden.

Die Funktionsweise allerdings ist dieselbe wie die der Systeme mit hohem Temperaturangebot. Genutzt werden die Systeme mit niedrigem Temperaturangebot für Gebäudeheizungen, zur Wasserbeheizung zum Beispiel in Thermalbädern und zu gewerblichen Zwecken wie zum Beispiel zum Beheizung von Gewächshäusern. Das Wasser aus solchen Systemen kann zur Weiternutzung als Trinkwasser gebraucht werden, da der Mineralanteil diese Wassers nicht sehr hoch ist.

Die Investitionskosten einer geothermischen Heizzentrale mit installierten Leistungen zwischen drei und 30 MW liegen bei 400 bis 1.000 Euro pro KW zuzüglich entstehender Kosten für ein Wärmeverteilungsnetz. Die Wärmegestehungskosten bei einer Auslastung der Anlage von 2.500 bis 3.000 Vollaststunden pro Jahr liegen bei 2 bis 4 Cent pro KWh. Bei industriellen Abnehmern ab 5.000 ha liegen die Wärmegestehungskosten unter 2 Cent pro KWh.

Bei Systemen tiefer Erdwärmesonden erfolgt eine Nutzung vorhandener Tiefbohrungen die zum Beispiel zur Gewinnung von Erdgas angelegt wurden.
Hier werden Doppelrohrsonden in das bereits vorhandene Bohrloch, welches bis zu 4 Kilometer tief in das Erdreich reichen kann, eingeführt.
Das Wasser zirkuliert durch die Sonden in einem geschlossenen Kreislauf, wobei es in der Tiefe erwärmt und an der Oberfläche an Wärmepumpen abgegeben wird.

Systeme tiefer Erdwärmesonden werden zur Raum- und Gebäudeheizung sowie industrielle Prozesswärmenutzung eingesetzt. Ihr technisches Potential in Deutschland beträgt 800 Milliarden KWh im Jahr.

Die Wärmegestehungskosten liegen bei einer Auslastung von 2.000 Stunden im Jahr bei 8 bis 10 Cent/KWh; bei einer Auslastung von 5.000 Stunden im Jahr bei 3 bis 5 Cent/KWh.

Das vierte System zur Nutzung von Erdwärme bezeichnet man als oberflächennahe Geothermie.

Oberflächennahe Geothermie nutzt die Wärme der obersten Erdschicht sowie das Grundwasser. Das System funktioniert mit Hilfe von Wärmepumpen und unterscheidet sich insofern von den anderen Systemen, als dass eine zweite Art von Energie zur Aufheizung des Wassers genutzt werden muss. (1)