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Einleitung
Geothermie ist die unterhalb der festen Oberfläche der Erde gespeicherte Wärmeenergie. Man nennt sie daher auch Erdwärme.
Erdwärme ist eine sogenannte regenerative Energiequelle, das bedeutet sie ist erneuerbar, bzw. erneuert sie sich selbst ständig:
durch die Einstrahlung der Sonne
durch Grundwasserneubildung (Regen)
geothermischer Wärmefluss aus dem Erdinnern
fließendes Grundwasser
Aus dem Innern der Erde fließt ein unaufhörlicher gigantischer Strom an Energie bis an die Oberfläche.
30% des an die Erdoberfläche steigenden Energiestroms kommen aus dem heißen Erdkern selbst. 70% aber entstehen durch den ständigen Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente in Erdmantel und Erdkruste.
Die Erde liefert täglich etwa viermal mehr Energie in das Weltall ab, wie wir Menschen derzeit verbrauchen.
Das wird auch in zwei oder drei Milliarden Jahren noch so sein, sofern nicht etwa die Sonne stirbt.
Die gespeicherte Erdwärme ist also nach unseren Maßstäben unerschöpflich. Sie steht ständig zur Verfügung, richtet sich nicht nach Tages- oder Jahreszeiten oder dem Klima.
Danke der heutigen Technik ist es möglich, diese umweltfreundliche und klimaschonende Energiequelle praktisch überall zu nutzen. Geothermie gehört deswegen zu den am meisten eingesetzten erneuerbaren Energieträgern.
Je tiefer man in das Erdinnere vordringt, um so wärmer wird es. Hier in Mitteleuropa nimmt die Temperatur pro 100m Tiefe um etwa 3°C zu. Nach heutigen Erkenntnissen herrschen im obersten Erdmantel Temperaturen um die 1300°C, im Erdkern erreichen sie wohl 5000- 6000°C.
Unmittelbar an der Erdoberfläche werden die Temperaturen fast ausschließlich durch die Sonne bestimmt. Da der Boden die Wärme schlecht leitet, kann man spätestens nach 20 Tiefenmetern keinen Sonneneinfluß mehr feststellen.
Beim Vergleich der bis in 3000m gespeicherten geothermischen Energie mit dem Weltenergieverbrauch braucht man sich eigentlich keine Sorgen mehr um Energieprobleme machen zu müssen. Die Energie, die im oberflächennahen Bereich gespeichert ist (auf die aktuellen Bohrtechnikmöglichkeiten bezogen), reicht nämlich aus, den Bedarf an Energie der Menschheit für de nächsten 100 000 Jahre zu decken.
Doch nur ein Teil der gespeicherten Wärme kann tatsächlich genutzt werden und 85% der geothermischen Energie in dem erreichbaren Tiefenbereich verfügt lediglich über Speichertemperaturen von weniger als 100°C.
Und obwohl mindestens 40% des Weltenergieverbrauchs in dem letzteren Bereich liegen, ist die Nutzung dessen und dort möglich, wo gleichzeitig entsprechende Abnehmer vor Ort zur Verfügung stehen, die mit dem Angebot auch etwas anfangen können.
Nutzung
Will man diese geothermische Energie für die menschliche Versorgung benutzen, nutzt man normalerweise nicht den ständig nachfließenden Wärmestrom, sondern das sehr viel höhere Potential der im Gestein oder in Fluiden (Wasser oder Dampf) gespeicherten Erdwärme.
Es gibt viele Möglichkeiten, das Energieangebot der Erde in Wärme und/oder Strom umzuwandeln. Um die Wärme aus dem Untergrund gewinnen zu können, braucht man gewöhnlich ein Transportmittel, das Fluid – Dampf, Wasser, Sole...
Man kann die Nutzungsarten danach unterscheiden, ob das Fluid bereits im Untergrund vorhanden ist oder erst künstlich eingebracht werden muß.
In vulkanischen Regionen nutzt man z.B. Dampf – oder Heißwasserlagerstätten.
2.1. Petrophysikalische Systeme
Nutzung der im Stein gespeicherten Energie, z.B.
Magma-Körper
Hot-Dry-Rock (HDR)
Hot- Dry- Rock- Kraftwerke kommen nun auch ohne unterirdische Heißdampflagerstätten aus. Diese produzieren Strom und Wärme auch aus heißem, trockenen Gestein. Die Grundlagen dieser Technologie sind entwickelt, ein Pilotkraftwerk wurde beispielweise im mecklenburgischen Neustadt- Glewe errichtet.
Das Hot-Dry-Rock-Verfahren
Bei uns in n Mitteleuropa gibt es keine Dampf- oder Heißwasserlagerstätten. Aber heiß genug ist der Untergrund auch hier. Um auf Temperaturen zu stoßen, die sich für die Stromgewinnung eignen muss man nur tief genug bohren.
Entsprechende Forschungsanstrengungen gab und gibt es vor allem in Japan, den USA und in der Europäischen Union.
Das Basiskonzept klingt einfach:
Erschließung des vorhandenen heißen Gesteins in der Tiefe über Bohrungen
Aufbrechen/Aufweitung von Fließwegen durch Wasserdruck zwischen den Bohrungen
dadurch Erzeugung einer Art unterirdischer Wärmetauscher
darin erhitzt sich von oben eingepreßtes Wasser, wird wieder nach oben gebracht und treibt eine Turbine an
Zirkulation im HDR-System erfolgt im geschlossenen Kreislauf
dieser steht sehr unter Druck à Sieden der Wärmeträgerflüssigkeit wird verhindert à Dampf entsteht erst an der Turbine
HDR-Kraftwerke sind mit ca. 20-50 MW installierter Leistung relativ kleine, saubere und in ihren Auswirkungen für die Umgebung ungefährliche Kraftwerke. Außerdem brauchen sie, wie alle geothermischen Anlagen, wenig Platz: Der wichtigste Teil liegt unter der Erde.
Hydrothermale (Warmwasser) Systeme
- mit hohem Temperaturangebot:
Hochdruckwasserzonen
Dampfsysteme
Heißwassersysteme
- mit niedrigem Temperaturangebot:
Aquifere mit
heißem (> 100 °C)
warmem (40 - 100 °C)
oder Niedrigtemperaturwasser (25-40 °C)
Thermalquellen (> 20 °C)
Hydrothermale Geothermie
Die hydrothermale Geothermie nutzt die im Untergrund natürlich vorkommenden Thermalwasservorräte zur Versorgung größerer Siedlungen, ganzer Städte, von Gewerbe und Industriegebieten. Die Ressourcen in den Aquiferen, sind häufig sehr salzig, also stark mineralisiert.
Um zu verhindern, dass der Speicher nach und nach leergepumpt wird, werden solche Anlagen im Dublettenbetrieb gefahren:
heißes Wasser wird über Förderbohrung an die Oberfläche gebracht
gibt wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie per Wärmetauscher an einen sekundären Heiznetzkreislauf ab
ausgekühlt wird es über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund gepreßt
Unter der Nutzung von warmem Wasser versteht man nicht nur die Raumheizung, es gibt für verschiedene Temperaturstufen verschiedene Möglichkeiten der Nutzung:
Temperatur (in °C)
Prozess
120
Einkochen und Eindampfen, z. B. von Salzlösungen
110
Trocknung von Zementplatten
100
Trocknung von organischem Material (z.B. Heu, Gemüse, Wolle)
90
Lufttrocknung von Stockfisch
80
Raumheizung
70
Kühlung (untere Temperaturgrenze)
60
Tierzucht
50
Pilzzucht, Balneologie
40
Bodenheizung
30
Schwimmbäder, Enteisung, Schneeschmelze, biologische Zerlegungs- und Gärungsprozesse
20
Fischzucht
2.3. Oberflächennahe geothermische Systeme
(Temperaturbereich bis max. 25 °C, max. bis 400 m Tiefe)
Erdkollektoren
Erdwärmesonden
Grundwasserbohrungen
Energiepfähle (erdberührte Betonbauteile)
Die oberflächennahe Geothermie nutzt das Temperaturangebot im nutzbaren Bereich zum Heizen meist in Verbindung mit einer Wärmepumpe. Man kann den Untergrund aber auch direkt als Quelle für Klimakälte nutzen und spart dabei aufwendige Kälteerzeugung. Aauch dafür bietet sich ein breites Anwendungsspektrum in kleinen und mittleren dezentralen Anlagen zur Bereitstellung von Wärmeenergie und Klimakälte für
Ein- oder Mehrfamilienhäuser, Wohnblocks, Gebäudegruppen
Öffentliche Gebäude, Verwaltungen, Krankenhäuser, Schulen
Gewerbebetriebe usw.
Grundwasserwärmepumpen:
Grundwasser lässt sich (abhängig vom Standort) über Brunnen entnehmen
wird direkt zur Wärmepumpe gebracht
jeodch Wiedereinleitung in den Untergrund à Einrichtung von Förder- und Schluckbrunnen
können relativ hohe Wärmequellentemperaturen nutzen
vermeiden Wärmetauscherverlust im Untergrund
Erdwärmekollektoren:
Verlegung horizontal in 80 – 160cm Tiefe
unterliegen den Witterungseinflüßen, die an der Oberfläche herrschen
bei Kopplung mit Wärmepumpe ist diese gezwungen in Zeiten größsten Wä#rmebedarfs mit ungünstigen Wärmeressourcentemperaturen auszukommen
Erdwärmesonden (EWS):
verbreitestete Anlangetypen in Mittel – und Nordeuropa
geringer Fächenbedarf
nutzen konstantes Temperaturniveau
senkrechte oder schräge Bohrungen werden in Rohre installiert
darin zirkuliert eine Wärmträgerflüssigkeit
diese nimmt Wärme aus der umgebenden Erde auf und leitet sie an die Wärmepumpe weiter
Einsetzung in Anlagen in unterschiedlicher Größe (angefangen bei ein oder zwei Sonden zur Beheizung kleiner
Wohngebäude bis hin zu Systemen zur Versorgung von Büro- und Gewerbebauten, ganzen Wohnanlagen,........)
Erdberührte Betonbauteile, Energiepfähle:
besonders in Österreich in den letzten Jahren zu funktionsfähigen Heiz- und Kühlsystemen weiterentwickelt
Name \"Energiepfahl\" rührt aus der Nutzung von Gründungspfählen zu Heizzwecken her
grundsätzlich kann jede erdberührte Betonfläche entsprechend eingerichtet werden
Einbau der Wärmetauscher kann nur im Rahmen der Errichtung des Bauwerks selbst erfolgen (Nachrüstung nicht möglich)
zusätzliche Bohr – oder Verlegearbeiten wie bei Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden fallen nicht an
eines der weltweit größten Projekte dieser Art ist die Anlage der Etikettierfabrik Pago im schweizerischen Grabs
2.4. Weitere Nutzungsarten
Tiefe Erdwärmesonden (ab 400 m Tiefe)
Saisonale Wärme- und Kältespeicher
Grubenwärme, Tunnelwärme
Tiefe Erdwärmesonden, Tunnel und Bergwerke:
Alte Tiefbohrungen lassen sich so ausbauen, daß sie als Wärmequelle mit einigen 100 kW Leistung herangezogen werden können. Eine Anlage befindet sich in Deutschland, sonstige sind in der Schweiz zu finden. In Prenzlau (Brandenburg) wurde eine alte Bohrung weiter vertieft. Heute liefert sie ca. 400 Kilowatt Heizwärme für das städtische Fernwärmenetz. Ebenso geeignet sind alte Bergwerke und neue Tunnel für Straßen und Eisenbahnen.
3.Geothermie national
3.1. Deutschland
Die Geothermie-Ressourcen in Deutschland konzentrieren sich naturgemäss in gen Gegenden mit geothermalen Anomalien. Gegenden mit solche Bereichen existieren in der Norddeutschen Tiefebene zwischen der polnische und der niederländlischen Grenze, im Oberrheintal und in Süddeutschland zwischen der Donau und den Alpen.
Jedoch kann prinzipiell unabhänging von solchen Anomaliene überall mit Erdkollektoren und Wärmepumpen geheizt und gekühlt werden.
In Deutschland waren 1999 knapp 400 MWth in geothermischen Anlagen installiert. Mit den damals bekannten Ressourcen der hydrothermalen Geothermie könnten etwa 29% des deutschen Wärmebedarfs, mit denen oberflächennahen Geothermie noch einmal etwa 28% gedeckt werden.
Im Tiefenbereich zwischen 3000 - 7000 m steht zur Nutzung für das Hot-Dry-Rock-Verfahren unter der Fläche der Bundesrepublik soviel Energie zur Verfügung, daß wir uns damit für ca. 10 000 Jahre komplett mit Strom und Wärme versorgen könnten.
3.1.1. Großtechnische Nutzung
Heutzutage werden in Deutschland fast nur hydrothermale Systeme geplant. Eine tiefe Erdwärmesonde ist in Erding (Bayern) mit der Nutzung eines Einzelbrunnens schon seit Jahren erfolgreich in Betrieb.
HDR- Verfahren findet man in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forets im Elsass in der Erprobung. Bei der Stromerzeugung aus Erdwärme kommt in erster Linie der Organic Rankine Cycle zum Einsatz (Turbinen werden z.B. mit Ammoniak-Dampf betrieben).
ORC- Anlage:
Turbine mit 2 Kreisläufen
Turbine wird mit Arbeitsmittel angetrieben, das bereits bei geringen Temperaturen verdampft
über Wärmetauscher nimmt dieses Mittel thermische Energie auf (z.B. aus dem Thermalwasser; Wasser gelangt dabei nicht in die Turbine)
im Kraftwerk Altheim/ Oberösterreich ist die Arbeitsflüssigkeit beispielsweise ein organisches, chlorfreies Fluid mit einem Siedepunkt von 30°C
es ist toxikologisch sicher un nicht brennbar (Umwelts/- und Personalvorteil)
3.1.2. Private Haustechnik
Erdwärme als Haustechnik ist noch nicht flächendeckend eingeführt.
Jedoch existieren Erfahrungen, viele Anbieter und erste Anwendungen. In einigen Kommunen (beispielsweise in Ettlingen, BW und in Duisburg, NRW) sind Arbeiten eingeleitet, die zu örtlichen Geothermiekarten führen sollen, welche eine wichtige Planungsvoraussetzung ist.
Prinzipiell sind alle Verfahren der oberflächennahen Geothermie auch für die Haustechnik nutzbar.
Eine Geothermie-Haus-Anlage besteht unter normalen tektonischen Bedingungen aus Erdkollektoren und einer Wärmepumpe.
Jedoch ist die Temperaturdifferenz in diesem Normalfall zu gering. Deshalb muss für die Spitzenheizlastz im Wintzer eine Öl – oder Gasheizung zuschaltbar sein. Bei einer solche Anlage ist immer auch Kühlkapazität im Sommer verfügbar.
Verfahren, die es ermöglichen, im Winter auf Energie zurückzugreifen, die im Sommer mit Sonnenkollektoren erzeugt und im Untergrund gespeichert wurde, sind interessant.
Jedoch existieren heutzutage anscheinend noch keine entscheidenden Kostenvorteile, die eine geothermische Haustechnik vorteilhafter erscheinen lassen.
Am besten wirtschaftlich arbeiten kann eine Geothermieanlage jedoch, je größer der Leistungsbedarf ist.
Ende 2003 ging in Neustadt-Glewe ein erstes kleines Erdwärme-Kraftwerk mit 210 Kilowatt Leistung in Betrieb. Die Investitionskosten betrugen rund 1,6 Millionen €uro. 50% davon wurden von der Bundesregierung gefördert. Die Installation einer normalen Dampfturbine war nicht möglich, da das heiße Wasser aus ca. 2200m Tiefe nur 98°C maß. Statt dessen wird das Kraftwerk im sogenannten Organic Rankine Cycle betrieben.
3.2. Baden- Württemberg
\"Baden- Württemberg will die Vorreiterrolle übernehmen\", lautete ein Zeitungsartikel am 8. März 2005.
\"Stuttgart - Das Land BW soll nach dem Willen der Landesregierung bei der Nutzung von Erdwärme eine Vorreiterrolle einnehmen. Neben der grossen Wasserkraft werde vor allem die Geothermie dazu beitragen, den Anteil der regenerativen Energie an der Energieversorgung des Südwestens bis zum Jahr 2010 auf zehn Prozent zu erhöhen, erläuterte Ministerpräsident Erwin Teufel (CDU) am Dienstag in Stuttgart. Die in Europa günstigsten Standorte dafür lägen im Rheingraben in Baden-Württemberg. Für die Nutzung dieser Energieart sind insgesamt sechs Millionen Euro Zuschüsse in den kommenden Jahren vorgesehen.\" (Quelle: www.verovox.de)
Teufel war nach Island gereist und hatte sich über die Nutzung der Erdwärme informiert. Sie sei im Gegensatz zur Windkraft immer verfügbar. Teufel, der absolut gegen die Windkraft ist, da die Anlagen seiner Meinung nach unter anderem die Landschaft im Schwarzwald beschmutzen, kündigte an, dass Bauherren und Hauseigentümer bei der Erschliessung oberflächennaher Geothermie mit jeweils bis zu 3500 Euro bezuschusst werden könnten.
Am 6. April 2005 gab es eine neue Zeitungsmeldung (Quelle: www.energynet.de):
Stuttgart - \"Oberflächennahe Geothermie\" heißt das neue Erdwärmesonden-Förderprogramm des Landes Baden-Württemberg. Seit dem 01.04.05 werden Erdwärmesonden in Verbindung mit einer Wärmepumpe gefördert, die zur Beheizung (ggfls. auch Kühlung) für Ein- und Zweifamilien- oder Reihenhäusern dienen. Andere Haustypen sind nicht förderfähig.\"
4. Weltweit
Nutzungsanlangen für Erdwärme findet mal weltweit in vulkanisch und tektonisch aktiven Gebieten. Geothermische Vorkommen größerer Bedeutung gibt es in den USA, auf den Philippinen, in Mexiko, in Italien, Island, Japan, Neuseeland, der Türkei, in El Salvador, Nicaragua und anderen Ländern. Mehrere dieser Länder nutzen die geothermische Energie in großen geothermischen Kraftwerken. Geothermische Energie wird auf den Philippinen zur wichtigsten Energiequelle für die Stromerzeugung ausgebaut!
Im Jahre 1995 waren weltweit knapp 7 GW elektrischer Kapazität installiert, bis zum Jahre 2000 sollten es fast 10 GW werden. Für Heizzwecke und Prozesswärme wurden weltweit ca. 20 Gigawatt in Gebieten mit besonderen geothermischen Voraussetzungen des Untergrunds gewonnen.
Durch die Anwendung der HDR- Technik in den großen Industriestaaten wäre eine deutliche Steigerung des Arbeitsergebnisses an Elektrizitätserzeugung zu erwarten.
Was die Pro-Kopf Nutzung der Erdwärme betrifft, ist Island Spitzenreiter bei 200 MWe installierter Leistung. Spitzenreiter was die installierte Leistung alleine betrifft, sind die USA mit 2.000 MWe. Insgesamt gibt es in den 22 wichtigsten, die Geothermie nutzenden Ländern, nach dem Stand des Jahres 2000 eine installierte Leistung von 8.200 Mwe.
5. Umweltbelastungen
anfallende Abwärme bei der Elektrizitätserzeugung mit geothermischen Kraftwerken ist erhebliche größer als bei anderen Kraftwerken (für die Abfuhr stehen diesselben Methoden zur Verfügung)
geothermische Energiequellen liefern oft salzhaltige Dampf/Wasser-Gemische; zum Beispiel kann in der Nähe des Salton Sea, Kalifornien, der Salzgehalt des geothermischen Wassers bis zu 20 % betragen. (Deshalb wird es häufig notwendig sein, das Abwasser wieder in die Bohrlöcher zurückzuführen. Dieses Verfahren kann auch dazu beitragen, Bodensenkungen zu verhindern, die möglicherweise eintreten, wenn große Wassermengen aus unterirdischen Reservoirs entnommen werden. )
Verschiebung der Gesteinsschichten durch Störungen die sich durch eine Förderbohrung ergeben können (Äußerung dieser Vorgänge u.U. in örtlich begrenzten Erdbeben, sogenannten \"seismic effects\".
geothermische Dämpfe enthalten nicht kondensierbare Gase, welche beim Betrieb der Anlagen Schwierigkeiten bereiten
großer Flächenbedarf von geothermischen Kraftwerken
6. Fazit
Als Ersatz der endlichen fossilen fossilen Brennstoffe kommen nur regenerative Energien in Betracht, die unerschöpflich und ständig verfügbar sind. Nur zwei Energiequellen erfüllen diese Voraussetzungen: Wasserstoff und Erdwärme. Jedoch, gibt es bei allem Vor- und Nachteile
Rang
Hauptproblem
Hauptvorteil
Geothermie
Tiefe Bohrungen
Herkömmliche Technik,
hohe Energiedichte
Sonnenenergie
Wirkungsgrad der Solarzellen,
eingeschränkte Verfügbarkeit
Hohe Energiedichte
Wasserkraft
Potential weitgehend erschlossen
bis auf Gezeitenkraftwerke
Herkömmliche Technik,
hohe Energiedichte
Brennstoffzelle
Produktion und Speicherung von Wasserstoff, Materialprobleme
Ideale Reaktionsgleichung
Windenergie
Eingeschränkte Verfügbarkeit, schwierige
Technik, geringe Energiedichte
Staatliche Förderung (aber nur in Deutschland)
Biomasse
Begrenzte Verfügbarkeit,
geringe Energiedichte
Herkömmliche Technik
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