geothermie-header-wikipedia-net4energy
hero-bg

Geothermie

Über diesen Artikel

Lesezeit

5 Minuten

Veröffentlichung

22.11.2020

Letztes Update

13.05.2022

Geothermie – Definition, geologische Voraussetzungen und Technologien

Inhalt des Wiki-Artikels

Wie funktioniert Geothermie?

Der Begriff Geothermie bezeichnet die Wissenschaft von der Wärme, also der Verteilung der Temperatur im Erdkörper. Im Erdkern herrschen nach heutigen Erkenntnissen Temperaturen zwischen 5000 und 7000 °C. Die Wärme steigt aus dem Inneren als Energiestrom an die Oberfläche. Dabei stammen etwa 30 Prozent aus dem Erdkern selbst, die anderen 70 Prozent des Energiestroms entstehen durch den steten Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente im Erdmantel und der Erdkruste. Diese Wärmenergie kann sich der Mensch mit Hilfe von geothermischen Technologien zunutze machen. In Mitteleuropa steigt die Temperatur um rund 3 °C je 100 Meter Tiefe. Durch Erdwärmesonden und andere Verfahren kann die Geothermie zum Heizen und auch zum Kühlen von Gebäuden dienen, außerdem ist Stromerzeugung mit Erdwärme möglich.1

Voraussetzungen für die Nutzung von Geothermie

Inwiefern Erdwärme zur Erzeugung von Nutzenergie eingesetzt werden kann, ist von den geologischen Bedingungen einer Region abhängig. Dass mit idealen Voraussetzungen der Energiebedarf eines Landes komplett aus regenerativen Energien gedeckt werden kann, zeigt das Beispiel Island: Strom und Wärme werden beinahe zu 100 Prozent aus Geothermie und Wasserkraft gewonnen. Auch der Verkehrssektor soll in Island in naher Zukunft unabhängig von fossilen Brennstoffen sein. Doch auch in Deutschland gibt es Gebiete, die für die Gewinnung von Energie aus Erdwärme prädestiniert sind. Beispielsweise befindet sich unter der bayerischen Landeshauptstadt München ein enormes Heißwasservorkommen, das für die Gewinnung von Nutzwärme geeignet ist. Südlich von München wird darüber hinaus Strom aus Erdwärme erzeugt.

Die geologischen Voraussetzungen für die Nutzung von Geothermie sind um München herum in Vergleich zu anderen deutschen Regionen besonders gut. Thermalwasser dient als Energiequelle, in einer Tiefe von 2000 bis mehr als 3000 Metern hat es eine Temperatur zwischen 80 und mehr als 100 °C. Die Wärme ist ideal zum Heizen, über Bohrungen wird das Wasser zur Oberfläche und einem Wärmetauscher geleitet, über ein Fernwärmenetz gelangt die gewonnene Energie anschließend zum Verbraucher. Über Injektionsbohrungen wird das abgekühlte Thermalwasser zurück in die Schichten geleitet, aus denen es entnommen wurde, so dass die Geothermie-Nutzung lediglich einen minimalinvasiven Eingriff ins Ökosystem darstellt.2

Technologien der oberflächennahen Geothermie

Prinzipiell lassen sich bei der Nutzung von Erdwärme zwei Kategorien unterscheiden: die tiefe und die oberflächennahe Geothermie. Darüber hinaus gibt es Sondernutzungsformen. Bei der oberflächennahen Geothermie werden meistens Wärmepumpen eingesetzt, die auch für Privathaushalte zur Verfügung stehen. Mittels einer Wärmepumpe kann ein Haus mit Heizwärme, Kälte und Warmwasser versorgt werden. Die oberflächennahe Geothermie wird so genannt, weil der Untergrund bis zu einer Tiefe von rund 400 Metern genutzt wird, also nahe an der Erdoberfläche liegende Gefilde, die Temperaturen von bis zu 25 °C aufweisen. Die Energie wird bei diesem Verfahren aus den oberen Erd- und Gesteinsschichten oder aus dem Grundwasser gewonnen. Neben der Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Kälte kommt oberflächennahe Geothermie auch zum Einsatz, um Gewächshäuser zu beheizen sowie Weichen und Parkplätze zu enteisen.

In Deutschland werden vor allem Erdwärmesonden in Verbindung mit Wärmepumpen eingesetzt. In senkrechte Bohrungen werden Rohre eingelassen und fest eingebaut, meistens werden Doppel-U-Rohre aus Polyethylen verwendet, die mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt sind. In der Regel ist dies Wasser mit einem speziellen Frostschutzmittel. Die Erdwärme wird von der Trägerflüssigkeit aufgenommen und zur Oberfläche zur Wärmepumpe geleitet. Gewöhnlich werden die Erdwärmesonden in einer Tiefe von 50 bis 160 Metern eingebaut; um ein Einfamilienhaus zu beheizen, genügen ein bis zwei Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa zwölf Zentimetern.

Der Einsatz von Erdwärmepumpen ist aber auch bei größeren Wohngebieten möglich, dann wird üblicherweise ein sogenannter „Thermal Response Test“ durchgeführt, mit dem Informationen über den Untergrund und die Wärmeleitfähigkeit des Bodens gesammelt werden. Anhand der Ergebnisse kann berechnet werden, wie viele Bohrungen mit welcher Tiefe erforderlich sind. Auf diese Weise wird nicht mehr als nötig gebohrt und es entstehen keine unnötigen Kosten. Statt Erdwärmesonden können auch CO2-Erdwärmerohre eingebaut werden, die aus Kupfer oder Edelstahl gefertigt und mit Kohlenstoffdioxid gefüllt sind. Das flüssige CO2 verdampft, wenn es Wärme aufnimmt, und steigt dann nach oben, ein Pumpvorgang ist nicht nötig. Wenn dem Kohlenstoffdioxid die Wärme oben entzogen wird, wird es wieder flüssig und sinkt nach unten, wo es erneut Wärme aufnimmt. CO2-Erdwärmerohre werden zum Beispiel im Bahnverkehr genutzt, um Gleise und Weichen eisfrei zu halten.

Weitere Technologien der oberflächennahen Geothermie sind Grundwasserwärmepumpen in Verbindung mit Brunnen und Erdwärmekollektoren. Das Grundwasser hat in Deutschland das ganze Jahr hindurch eine Temperatur von 8 bis 11 °C, in Siedlungsgebieten liegen die Temperaturen sogar etwas höher. Wirtschaftlich sind Grundwasserwärmepumpen ab einem Wärmebedarf von mindesten 35 Kilowatt. Zwei Brunnen mit einer Tiefe von rund 20 Metern sind für die Wärmeversorgung notwendig, einer dient als Förderbrunnen, in dem das Grundwasser nach oben gepumpt wird. Der andere ist ein sogenannter Schluckbrunnen, über den das Wasser zurück ins Erdreich geführt wird. Erdwärmekollektoren werden in einer Tiefe von 80 bis 160 Zentimetern verlegt, sie verlaufen schlangenförmig und horizontal. Wie die Erdwärmesonden enthalten sie Wasser und ein spezielles Frostschutzmittel, ein Unterschied ist, dass in der kalten Jahreszeit die nutzbaren Temperaturen bei Erdwärmekollektoren niedriger liegen, aber sie sind noch ausreichend hoch für den Betrieb von Wärmepumpen. Darüber hinaus gibt es Energiepfähle, die zum Heizen und Kühlen von Gebäuden eingesetzt werden können. Eine Förderung von Anlagen der oberflächennahen Geothermie beziehungsweise Wärmepumpen ist durch das Marktanreizprogramm gegeben.3

Technologien der tiefen Geothermie

Bei der tiefen Geothermie werden Lagerstätten genutzt, die in einer größeren Tiefe als 400 Meter liegen. Grundsätzlich lassen sich Hochenthalpie- und Niederenthalpie-Lagerstätten unterscheiden. Während Niederenthalpie-Lagerstätten eine Temperatur von maximal 200 °C aufweisen, verfügen Hochenthalpie-Lagerstätten über höhere Temperaturen. Eine Technologie der tiefen Geothermie sind hydrothermale Systeme, bei denen zirkulierendes Thermalwasser zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird. Voraussetzung für ein solches System ist eine wasserführende Gesteinsschicht mit hoher Ergiebigkeit, wie sie zum Beispiel in Kurorten wie Bad Staffelstein oder rund um München gegeben ist. Temperaturen von mindestens 120 °C sind erforderlich, wenn per Geothermie Strom erzeugt werden soll. Notwendig sind mindestens eine Förder- und eine Injektionsbohrung, um das Thermalwasser nutzbar zu machen; sind diese beiden Bohrungen vorhanden, wird das System als Dublette bezeichnet. Wird eine weitere Bohrung zur Förderung oder Reinjektion des Wassers vorgenommen, handelt es sich um eine sogenannte Triplette.

Außerdem gibt es petrothermale Systeme bei der tiefen Geothermie, bei denen die Lagerstätten aus heißem Tiefengestein bestehen, durch das kein Thermalwasser zirkuliert. Petrothermale Anlagen dienen vor allem der Stromerzeugung, ein solches Projekt befindet sich beispielsweise in Bad Urach. Auch hier sind zwei oder mehr Bohrungen erforderlich, Stimulationsmaßnahmen wie die hydraulische Stimulation sorgen für künstliche Wasserwegsamkeiten. Darüber hinaus werden auch in der tiefen Geothermie Erdwärmesonden eingesetzt, die in diesem Fall ein geschlossenes System bilden. Geothermie-Kraftwerke und -Anlagen werden laut dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und durch das Marktanreizprogramm gefördert.4

Vor- und Nachteile der Geothermie

Die Nutzung von Erdwärme bietet zahlreiche Vorteile. Geothermie ist eine umweltfreundliche Art der Strom- und Wärmeerzeugung und darüber hinaus saison- und witterungsunabhängig. Ein Geothermie-Kraftwerk benötigt im Vergleich zu anderen Anlagen zur Erzeugung von nutzbarer Energie nur eine geringe Fläche. Sind die Anlage und ein dazugehöriges Fernwärmenetz erst einmal gebaut, fallen keine weiteren Transportbewegungen an. So schont Geothermie die Landschaft, zudem ist die Nutzung von Erdwärme CO2-arm und nach menschlichem Ermessen unerschöpflich. Praktisch überall ist es möglich, aus Erdwärme Energie zu erzeugen, die zudem preisstabil ist. Nachteile der Geothermie gibt es im Vergleich zu den Vorteilen nur wenige. Das Gelände muss vor Bohrungen zur Nutzung der Erdwärme begutachtet und bewertet werden, um zum Beispiel Erdrutsche zu vermeiden. Ein weiterer Nachteil sind die Kosten für die Errichtung von geothermischen Anlagen, die sich jedoch nach rund 15 Jahren amortisieren.5

geothermie-hybridauto-e-book-guide-net4energy
Du möchtest mehr über das Erdgasauto erfahren? Lade dir jetzt unseren ultimativen Guide herunter!
jetzt kaufen