Erneuerbare Energien: Geothermie

Geothermie oder Erdwärme ist von der Erde permanent produzierte Energie, die der Mensch durch gezielte Bohrungen anzapfen kann. Eine Bohrung an der richtigen Stelle liefert dauerhaft Wärme und Strom. Um die Wärme aus der Erde fest zu etablieren gilt es, die hohen Kosten der Bohrungen in Zukunft zu reduzieren.

Autor*in RESET , 11.01.12

Geothermie ist Wärme in Form von aufsteigenden Energieströmen aus dem Erdinneren, welche vorwiegend dadurch entsteht, dass radioaktive Elemente in Erdkruste und Erdmantel zerfallen. Dadurch werden tiefliegende wasserführende Schichten erwärmt (Heißwasser-Aquifere). Diese sogenannte hydrothermale Wärme kann durch Tiefenbohrungen als Energiequelle genutzt werden. Island, das hier aufgrund seiner Lage eindeutige Vorteile hat, kann seinen Energiebedarf an Wärme und Strom zum Großteil durch Geothermie decken. Neben diesen Tiefenbohrungen können auch weniger heiße und weniger tiefe Schichten zur Energiegewinnung aus Geothermie genutzt werden.

Der große Vorteil dieser Energieform ist, dass sie unabhängig von Wind und Wetter nahezu permanent zur Verfügung steht. Wenn an geeigneter Stelle fachgerecht gebohrt wird ist eine geothermische Quelle praktisch unerschöpflich. Ein weiterer Vorteil dieser Art der Energiegewinnung ist, dass nur wenig Fläche verbraucht wird (Quelle: NABU; Agentur für Erneuerbare Energien (AEE)).

Energie aus der Erde – Wie funktioniert das?

In Deutschland sind für die Tiefengeothermie, mit der Siedlungen oder Industrien mit Strom und Wärme versorgt werden können, Bohrungen von 2 bis 4 km Tiefe erforderlich. In diesen Tiefen herrschen Temperaturen, die hoch genug sind, um sich als Energiequelle nutzen zu lassen. Daneben gibt es die oberflächennahe Geothermie –  mit niedrigeren Temperaturen und Bohrungen von etwa 100 m; sie lässt sich vor allem für Wärmepumpen von Privathaushalten einsetzten (Quelle: NABU; AEE). (1)

Bei der Tiefengeothermie wird das heiße Wasser aus den angebohrten Schichten als Medium des Wärmetransports an die Oberfläche befördert. Die Wassertemperaturen liegen bei 40 bis 100°C. In einem geschlossenen Kreislauf gibt das heiße Wasser seine Wärme über Wärmetauscher an einen Wärmeträger ab, das abgekühlte Wasser wird zurück in den Untergrund befördert, wo es erneut aufgeheizt wird. In einem zweiten Kreislauf kann dann erwärmtes Wasser direkt an ein Nahwärmenetz weitergeleitet werden oder eine Dampfturbine antreiben, die wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.

In Deutschland gibt es Regionen, die sich geologisch bevorzugt für die Tiefengeothermie eignen, wie das Süddeutsche Molassebecken, der Oberrheingraben und das Norddeutsche Becken (Quelle: BMU, AEE).

Daneben gibt es die sogenannte petrothermale Geothermie, bei der nicht Heißwasser-Aquifere, sondern heißes Gestein in Tiefen von 2 bis 6 km als Energiequelle dient. Bei diesem Verfahren wird Wasser in künstlich vergrößerte Gesteinsklüfte und Risse eingepresst, welches sich so erhitzt. Das heiße Wasser wird dann, wie bei der hydrothermalen Tiefengeothermie, an die Erdoberfläche gepumpt und dient dort als Energiequelle (Quelle: AEE). (2)

Die oberflächennahe Geothermie nutzt Erdwärme mit Hilfe von Erdwärmesonden oder -kollektoren. In circa 100 m Tiefe wird eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) auf bis zu 13°C (Sonde), bzw. 10°C (Kollektor) erwärmt. Eine Erdwärmepumpe überträgt diese Wärme dann auf einen Wärmeträger, der schnell verdampft. Ein Kompressor verdichtet den Dampf und erhöht dadurch den Druck und somit auch die Temperatur. Hierzu wird Strom benötigt und zwar für eine Heizleistung von 3 bis 5 Kilowattstunden Wärme etwa 1 Kilowattstunde Strom. Die erzeugte Wärme kann dann in einem Pufferspeicher gesammelt und zum Heizen oder Erhitzen von Wasser eingesetzt werden (Quelle: AEE)

Nutzung in Deutschland

Die wichtigsten Formen der Nutzung von Geothermie sind in Deutschland die Tiefengeothermie und die oberflächennahe Geothermie. Deutschlandweit gibt es bereits über 20 größere hydrothermale Heizkraftwerke, die auf der Tiefengeothermie beruhen und heißes Wasser aus tiefliegenden, wasserführenden Gesteinsschichten, den Heißwasser-Aquiferen, als Energiequelle nutzen. Einige der Heizkraftwerke dienen gleichzeitig auch der Stromerzeugung.

Die Nutzung von hydrothermalen Heiß- und Trockendampfvorkommen ist hierzulande aufgrund der geologischen Verhältnisse praktisch nicht möglich. Neben der Tiefengeothermie kommt die oberflächennahe Geothermie zur Anwendung, die auch von einzelnen Privathaushalten angelegt und genutzt werden kann. Jährlich (Stand 2012) werden hiervon etwa 22.200 Anlagen installiert (Quelle: NABU; AEE; BMU; Bundesverband für Geothermie).

Die Nutzung der Geothermie zur Stromerzeugung beinhaltet ein großes Potential. Im Jahr 2011 hatte die Geothermie jährlich etwa einen Anteil von 0,019 TWh (Terawattstunden) an der Stromversorgung; das entspricht dem Strombedarf von circa 6.300 Zweipersonen-Haushalten. Bis 2020 wird sich dieser Wert vermutlich vervierfacht haben und auf jährlich über 600 Ma Kilowattstunden ansteigen (Quelle: AEE; Bundesverband für Geothermie). (3)

Bei der Bereitstellung von Wärme decken die Erneuerbaren Energien insgesamt zurzeit 9,9 % des Bedarfs in Deutschland. Innerhalb der Erneuerbaren Energien werden hierbei 7,3 % von der oberflächennahen Geothermie gedeckt und 0,7 % von der Tiefengeothermie. Langfristig könnte die Hälfte des Strom- und Wärmebedarfs in Deutschland durch Geothermie gedeckt werden (Quelle: AEE, Stand 2014).

Kritik

Um Bohrungen zu rechtfertigen müssen die langfristigen Nutzungspotenziale von Tiefenbohrungen gegeben sein. Die angebohrten Thermalwässer müssen für die dauerhafte Bereitstellung von Energie über Jahrzehnte heiß genug sein. Ist dies vor der Installation einer Tiefengeothermieanlage nicht ausreichend sichergestellt, ist die Nachhaltigkeit des Baus einer solchen Anlage möglicherweise nicht in jedem Fall gegeben.

Der Bund Naturschutz in Bayern e.V. hat in Zusammenhang mit einer Geothermieanlage (Benried) 2010 zu bedenken gegeben, dass der Bau einer derartigen Anlage ausschließlich zum Zweck der Wärmebereitstellung in unseren Breiten wenig sinnvoll ist, da die Anlage nicht einfach im Sommer, wenn weniger Wärme benötigt wird, abgeschaltet werden kann. Betriebskosten fallen aber beständig an. Die Kopplung von Wärme- und Stromerzeugung ist also in jedem Fall anzustreben (Quelle: Geothermie Nachrichten). Im Jahr 2011 war dies erst bei 6 von 21 Anlagen der Fall (Quelle: Bundesverband für Geothermie).

Die Gefahr von Erdbeben, ausgelöst durch geothermische Bohrungen, sollte von den Kraftwerksbetreibern beobachtet werden um Schäden in umliegenden Gebäuden zu vermeiden. Durch die Bohrung und das damit in Zusammenhang stehende einpressen von Wasser wurde möglicherweise 2009 bei einer Geothermieanlage in Landau in der Pfalz seismische Aktivität, also kleineren Erdbeben, verursacht (Quelle: www.spiegel.de, 8.12.2010).

Die nötigen Bohrverfahren sind derzeit noch sehr teuer. Zur Kostensenkung und auch um das Fündigkeitsrisiko und weitere Gefahrenpotentiale zu minimieren, sind weitere Forschungen und die Entwicklung neuer Technologien nötig. Schon jetzt verspricht dieses Verfahren ein wichtiger Pfeiler der Energiegewinnung in Deutschland zu werden (Quelle: BMU, AEE).

Video: Wie funktioniert eine Erdwärmesonde?

Quellen und Links

Ariane Kujau/ RESET-Redaktion, 2013

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