Gewinnung und Anwendungen der Energie aus dem Erd-Inneren

1. Was ist Geothermie?

Als Geothermie oder Erdwärme wird die Wärme oder Energie bezeichnet, die im oberen Teil der Erdkruste gespeichert wird und ihr entzogen werden kann. Sie gehört zu der Gruppe der regenerativen Energiequellen.
Der Begriff Geothermie wird sowohl für die wissenschaftlichen Untersuchungen des thermischen Zustandes der Erde, als auch für ingenieurtechnische Tätigkeiten mit der Erdwärme benutzt.

2. Woher stammt die geothermische Energie?

Man schätzt, dass etwa 30 bis 50 Prozent der geothermischen Energie Restwärme aus der Erdentstehung, der Akkretion, sind. Der andere Teil stammt aus radioaktiven Zerfallsprozessen. Diese Prozesse erzeugen schon seit Millionen Jahren Wärme in der Erdoberfläche. Einen kleinen Anteil zur Erdwärme tragen auf die Erde treffende Sonnenstrahlen und der Kontakt mit wärmerer Luft bei.

3. Einteilung der Geothermie und deren Gewinnung

Wenn Geothermie zur Gewinnung von Strom oder Wärme genutzt wird, wird zwischen zwei Arten unterschieden. Bei der ersten Art wird die oberflächliche Erdwärme indirekt genutzt. Dies geschieht meist in Form einer Wärmepumpe. Die andere Art nutzt die tiefer gelegene Erdwärme direkt in einem so genannten Wärmemarkt beziehungsweise indirekt zur Erzeugung von Strom. Außerdem unterscheidet man noch zwischen Hoch- und Niedrigenthalpielagerstätten.

3.1 Die tiefe Geothermie

Bei der tiefen Geothermie macht man davon Gebrauch, dass die Temperatur steigt, je höher man in die Erdkruste vordringt. Dabei beträgt die durchschnittliche Temperaturerhöhung circa 38 K pro eingedrungenem Kilometer. Wenn ein Gebiet auf Grund regionaler Besonderheiten, wie zum Beispiel Vulkanvorkommen, sehr vom Standardwert abweicht, bezeichnet man dies als Wärmeanomalie. Diese Gebiete werden in der Geothermie auch als hochenthalpe Lagerstätten bezeichnet und werden international zur Erzeugung von Strom genutzt. Das Land, das die Geothermie am meisten zur Stromerzeugung nutzt, sind die USA mit 133 Vulkanen, gefolgt von Japan mit 100 Vulkanen.

In den höheren Erdkrusten befinden sich oft mehrere hundert Grad heiße Fluide, die aus Wasser und Dampf bestehen. Diese könne zur Speisung von Wärmenetzen oder als Industriedampf genutzt werden. Um Strom zu erzeugen, wird das heiße Wasser genutzt, um eine Turbine anzutreiben. Dies geschieht über das Flush – Verfahren, bei dem sich der Dampf auf Grund des durch den hohen Druck eingepressten Wassers erst an der Turbine entwickelt.

In Niederenthalpie-Lagerstätten können die Temperaturen sehr stark schwanken. Trotzdem gilt, je höher die benötigte Temperatur ist, desto tiefer muss gebohrt werden. Wenn Strom erzeugt werden soll, sind Temperaturen von über einhundert Grad notwendig. Im Grunde unterscheidet man in der tiefen Geothermie zwischen drei verschiedenen Wärmeentnahmearten: Hydrothermale Systeme, Petrothermale Systeme und Tiefe Erdwärmesonden. Die Anwendung derer ist abhängig von der geologischen Situtaion am Standort, von der Energiemenge, die erwartet wird und des benötigten Temperaturniveaus.

Geschieht die Stromerzeugung in einem Aquifer, einem Gesteinskörper, durch dessen Hohlräume Wasser fließt, kann das Wasser abgekühlt und zurückgegeben werden. Dies würde der Hydrothermalen Geothermie entsprechen. Wenn der Gesteinskörper allerdings eher undurchlässig für Wasser ist, so muss das Wasser in einem künstlich angelegten Risssystem zirkulieren. Dieses Verfahren nennt sich Petrothermale Geothermie. Eine weniger erfolgreiche Methode ist, dass Wasser durch das geschlossene System einer tiefen Erdwärmesonde laufen zu lassen.

3.2 Die oberflächennahe Geothermie

Die Erwärme, die nah an der Erdoberfläche entsteht, wird mit Hilfe von Erdwärmesonden oder durch erdgebundene Betonbauteile gefördert. Dabei werden größtenteils Wärmepumpen eingesetzt, um eine Wärmepumpenheizung oder -kühlung für Gebäude umsetzen zu können.

3.3 Andere Arten der Geothermie

Neben den genannten Verfahren, kann Erdwärme auch aus Tunneln, Bergbauanlagen oder mittels saisonaler Wärmespeicher gewonnen werden. Bei der Gewinnung von Erdwärme aus Tunneln wird das aus den Tunneln fließende Wasser genutzt. Bekannte Anlagen sind vor allem in der Schweiz beim Gotthard-Straßentunnel zu finden, welcher beispielsweise den Autobahnwerkhof von Airolo mit Wärme versorgt.

In Bergbauanlagen findet sich Wasser, das bis zu 120 °C heiß sein kann und gut zur geothermischen Nutzung geeignet ist. Außerdem können bereits bestehende Schächte genutzt werden.

Bei den saisonalen Wärmespeichern macht man sich zu nutze, dass Geothermie anhaltend besteht, unabhängig von Tages- oder Jahreszeit und Wetter. Wenn die Anlage zeithomogen gebraucht wird, das heißt im Winter zum Heizen und im Sommer zum Kühlen, regeneriert sie sich von selbst und es entstehen kaum weitere Kosten als für den Antrieb der Wärme- bzw. Umwälzpumpe.

ugen können.

4. Nutzungsmöglichkeiten von Geothermie

Geothermie kann sowohl direkt, beispielsweise zum Heizen oder Kühlen, als auch indirekt, zum Beispiel zur Stromerzeugung, genutzt werden. Bei der direkten Art wird die Wärme selbst, bei der indirekten Art die in Strom umgewandelte Erdwärme genutzt.

Schon unsere Vorfahren nutzten die Erdwärme um zu Heizen, zu Kochen und zu Baden. Die ersten mittels Geothermie betriebenen Bäder wurden im Römischen Reich und im mittleren Königreich der Ottomanen und Chinesen erbaut. Das erste geothermische Fernwärmenetz wurde bereits im 14. Jahrhundert in Frankreich entwickelt.

Heutzutage wird der Großteil der Wärme zum Einkochen, Verdampfen und der Meerwasserentsalzung genutzt, gefolgt von der Trocknung von Zementplatten, organischen Materialien und der des Stockfisches. An dritter Stelle befindet sich die Raumheizung, gefolgt von Kühlung und Tierzucht. Die Stromerzeugung durch Geothermie wurde erstmals 1913 in der Toskana eingesetzt. Obwohl für die Erzeugung von Strom mindestens einhundert Grad nötig sind, wurden neue Anlagen entwickelt, die schon bei Temperaturen von 80 °C Strom erzeugen können.