Entstehung / Erfindung / Vorgeschichte
Wussten Sie, dass 99 % der Erde heißer sind als 1000 °C? Eine unerschöpfliche Menge an Wärmeenergie lagert ungenutzt im Inneren unseres Planeten. Zum Teil stammt diese Wärme noch aus der Zeit der Erdentstehung, ein anderer Teil entsteht durch den Zerfall langlebiger radioaktiver Isotope wie zum Beispiel Uran-235 und U-238, Thorium-232 und Kalium-40, also durch natürliche Kernenergie.
Aber wie soll man an die Wärme tief im Erdinnern kommen? Die Förderung und Nutzung dieser Energie erschien lange zu schwierig und zu teuer, um daraus Strom erzeugen zu können. Aber die Technik ist voran geschritten, und schon bald könnte man alle Haushalte mit Strom und Wärme aus der Erde versorgen.
Schon in der Antike wusste man die Vorteile von heißen Quellen zu nutzen. Nicht nur die Germanen, Gallier und Kelten erquickten sich in Thermalbädern. Vor 2000 Jahren schon errichteten die Römer ihre Thermen – sowohl zur Körperhygiene als auch zur reinen Entspannung. Noch heute sind in den Ruinen alter Römervillen die Überreste von Fußbodenheizungen zu bestaunen, in denen einst das Wasser aus heißen Quellen floss. Zahlreiche Kurorte im In- und Ausland profitieren heutzutage ebenfalls noch von diesem geologischen Vorteil.
Diese regenerative Energie, die im oberen Teil der Erdkruste gespeichert ist, wird Geothermie genannt. Von dort kann sie direkt zum Heizen benutzt werden oder aber in elektrische Energie umgewandelt werden.
Der Begriff Geothermie bezeichnet außerdem die Ingenieurwissenschaft, die die thermische Situation der Erde untersucht.
Funktionsprinzip / Technik
Heißer Wasserdampf tritt zum Beispiel in der Toscana in Italien aus der Erde. Tief darunter treffen die Kontinentalplatten Afrikas und Eurasiens aufeinander und das glühende Magma gelangt so weit nach oben, dass seine Hitze ausreicht, um seit Jahrtausenden schon das Grundwasser zum Kochen zu bringen.
Das erste Erdwärmekraftwerk der Welt nutzte diese Besonderheit. Graf Piero Ginori Conti ließ 1913 in Lardarello eine Anlage errichten, in der der heiße Wasserdampf auf Turbinen geleitet wurde. Damit wurden damals 220 kW elektrische Leistung erzeugt. Inzwischen sind es mehr als 400 MW.
In Deutschland haben wir die geologischen Voraussetzungen dazu zumeist nicht. Nur an wenigen Orten wie zum Beispiel Erding, Straubing oder Unterhaching in Bayern oder an einigen Stellen in Mecklenburg-Vorpommern befinden sich Heißwasserreservoire direkt unter der Erdoberfläche. Die Erdwärme dort wird aber vorwiegend zum Heizen genutzt. Zur effektiven Stromerzeugung benötigte man bisher Wasserdampf, der mehrere hundert Grad Celsius heiß ist. Doch derart hohe Wassertemperaturen finden sich bei uns erst in mehreren tausend Metern Tiefe und erfordern aufwändige und teure Bohrungen.
Ein neues Verfahren, das schon im Elsass, in der Schwäbischen Alb und in Mecklenburg-Vorpommern vielversprechend getestet wurde, könnte bald Abhilfe schaffen. Bei dem „Hot-Dry-Rock-Verfahren“ (HDR) bohrt man bis in Tiefen von 4000 – 5000 m. Das Gestein, durch das das Bohrloch verläuft, ist oft schon 200 – 300 °C heiß. Das Wasser, das dort eingeleitet wird, kann sich erhitzen und wird als Wasserdampf über ein zweites Bohrloch wieder nach oben befördert. Dieses Durchlauferhitzerprinzip hat den Vorteil, dass man nicht auf das Vorkommen von Wasser angewiesen ist – man führt es einfach zu. Über Wärmetauscher ließe sich so preisgünstig Strom produzieren.
Ein anderes System, das sich für das Heizen von Privathaushalten schon länger bewährt hat, ist das Erdwärmesondensystem. Hierbei braucht man mit der Sonde, in der in einem geschlossenen Kreislauf ein Wärmeträgermedium zirkuliert, nur wenige Meter in die Tiefe zu gehen. Dieses Verfahren wird in NRW seit einigen Jahren öffentlich gefördert.
Neu entwickelte Verfahren gestatten, das Thermalwasser schon bei Temperaturen um die 80 °C zur Stromerzeugung zu nutzen. Als Medium werden Stoffe verwendet, die schon bei geringen Temperaturen verdampfen und so über Turbinen den Stromgenerator antreiben. Nach dem Entdecker dieses Prinzips, William John Macquorn Rankine (* 1820; † 1872), werden solche Anlagen Organic Rankine Cycle-Anlagen (ORC) genannt. Beim so genannten Kalina-Verfahren (benannt nach dem Ingenieur Alexander Kalina) wird ein Gemisch aus beispielsweise Ammoniak und Wasser verwendet, das bei 90 °C verdampft. Für kleine Anlangen unter 200 kW kann man auch Stirlingmotoren einsetzen.
aktuelle Anwendungsbeispiele
In Cooper Basin in Australien wird zur Zeit ein Geothermiekraftwerk nach dem Kalina Verfahren errichtet. Dafür hat man bisher zwei 4.000 m tiefe Bohrungen gebohrt und ein künstliches Risssystem im Gestein erzeugt, durch das das heiße Wasser geleitet werden wird. Das ist mit 270 °C sogar heißer als erwartet.
In Neustadt-Glewe in Mecklenburg-Vorpommern ist 2004 das erste geothermische Kraftwerk in Deutschland mit einer Strommenge von 424.000 kW/h ans Netz gegangen. In Zukunft sollen dort jährlich 1,2 Mio kW/h erzeugt werden. Bis zu 230 kW beträgt die elektrische Leistung des Geothermiekraftwerks, das aus 2250 m Tiefe knapp 100 °C heißes Wasser fördert und für die Strom- und Wärmeversorgung nutzt. Die Anlage ist eine Erweiterung des geothermischen Heizwerks, das schon seit 1994 betrieben wird.
Nutzung / Erzeugung / Zahlen
Weltweit beträgt die installierte Leistung 8912 MW (2005) und erzeugt 56 798 GWh/a elektrische Energie.
Ganz vorn, wenn man die pro-Kopf-Nutzung der Erdwärme rechnet, liegt heute (2006) Island mit 422 MW installierter Gesamtleistung. In spätestens 30 Jahren will das Land völlig auf fossile Brennstoffe zur Energieerzeugung verzichten können. Bei seinen 37 aktiven Vulkanen und unzähligen Geysiren kann das durchaus gelingen. Schon jetzt werden über 90 % der isländischen Haushalte mit Erdwärme versorgt.
Die USA haben eine Gesamtleistung von 2.564 MW (2005) installiert und liegen damit vor den Philippinen mit 1.930 MW (2005).
Auch in Deutschland steigt die direkte Nutzung der Erdwärme durch Wärmepumpenheizungen rasant an. 30 große Anlagen mit Leistungen über 2000 kW gibt es zur Zeit. Zusammen leisten sie 105 MW. 2007 dürften insgesamt etwa 130.000 Anlagen installiert sein. Bis zu 29 Prozent der benötigten Wärme könnte allein aus den bekannten Ressourcen geschöpft werden.
Die Stromerzeugung hat sich, mit Ausnahme des Kraftwerks in Neustadt-Glewe, das seit Jahren schon Strom liefert, noch nicht durchgesetzt. Drei weitere Kraftwerke werden in 2007 in Unterhaching, Landa und Bruchsal ans Netz gehen.
Vorteile / Nachteile
Die Geothermie scheint die Energiequelle der Zukunft zu sein: nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich, bei jedem Wetter nutzbar und absolut umweltverträglich. Dazu kaum Risiken wie beispielsweise bei der Nutzung von Atomenergie.
Die absehbare Verknappung der fossilen Brennstoffe und ein wachsendes Bewusstsein des CO2-Problems hat das Interesse an der Geothermie steigen lassen. War es zu Zeiten niedriger Energiepreise noch unwirtschaftlich, hat man sich inzwischen jedoch auf die kostenlos zur Verfügung stehende Energie besonnen. Technische Weiterentwicklungen und die politischen Rahmenbedingungen und gezielte Förderprogramme, die die Errichtung solcher Anlagen für die Betreiber überhaupt erst ermöglichen, taten ein Übriges.
Durch die Geothermie könnten bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen Kohlendioxid vermieden werden. Legt man die Kosten pro Tonne um, würde die Einsparung durch Erdwärme rund 70 € betragen. Durch die Photovoltaik bewirkte CO2-Einsparung kostet 2210 € pro Tonne.
Ein Risiko soll jedoch nicht verschwiegen werden: Bei Anlagen, die die Wärme aus großen Tiefen holen, kann es zu kleineren Erderschütterungen kommen. Im Raum Basel hat es im Winter 2006/2007 mehrere kleinere Erdbeben gegeben. Das stärkte davon erreichte die Stärke 3,4 auf der Richterskala. Personen sind nicht zu Schaden gekommen. Die 2300 Sachschadensmeldungen werden zum Teil noch geprüft. Einzig 20 Geschädigten ist eine Entschädigung gezahlt worden. Im Rahmen dieser außergerichtlichen Einigung wurde jedoch nicht geklärt, ob die Schäden tatsächlich durch Erdstöße verursacht wurden.
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