1. Geothermie als erneuerbare Energie

Mit der Wärme unserer Erde könnte man den heutigen Weltenergiebedarf für die nächsten 30 Millionen Jahre decken. Betrachtet man diesen Aspekt mit menschlichen Maßstäben, ist der Energievorrat der Erde genauso unerschöpflich wie der der Sonne.

Betrachtet man den Primärenergieeinsatz in Deutschland im Jahr 2011, ist festzustellen, dass die Geothermie bisher nur eine sehr kleine Rolle in unserm Energiesystem spielt. Bei einem nahezu unerschöpflichen Wärmevorrat der Erde haben wir ein gewaltiges Potenzial für die Zukunft der Erdwärmenutzung.

Primärenergieeinsatz der erneuerbare Energien in Deutschland 2011.  [1]

2. Die Wärme der Erde

Quelle: www.energieSchweiz.ch

Betrachtet man die Temperatur unseres kompletten Planeten, sind 99% heißer als 1000°C und von dem Rest sind ca. 99% wärmer als 100°C. Wir leben also auf den 0,01% der Erde die kälter sind als 100°C. [2]

Im Inneren unserer Erde, im Erdkern, haben wir eine Temperatur von ca. 6000°C. Etwas kälter ist dagegen der Erdmantel, mit einer Temperatur von ca. 1200°C. Die nebenstehende Grafik verdeutlicht welchen geringen Anteil die Erdkruste an der gesamten Erde hat.

Die Temperaturen unserer Erde kommen durch zwei unterschiedliche Faktoren zustande. Ca. 30-50% der Wärme ist Restwärme der Entstehung der Erde. Die andern 50-70% entstehen durch den radioaktiven Zerfallsprozess in der Erdkruste. Ein sehr geringer Teil der Erdwärme kommt auch von der Sonne. Die Sonne hat aber jedoch nur Auswirkungen bis zu einer Tiefe von maximal 10-15 Meter. [3]

 

3. Die unterschiedlichen Erdwärmequellen

Es gibt zwei Kategorien in die sich Erdwärmequellen einteilen lassen. Dies sind die oberflächennahe und die tiefe Geothermie. 

3.1 Oberflächennahe Geothermie

Die oberflächennahe Geothermie wird hauptsächlich zur Wärmegewinnung genutzt, um damit zu heizen. Die oberflächennahe Geothermie geht bis zu einer Tiefe von 400 Meter. Bei der oberflächennahen Geothermie gibt es zwei unterschiedliche Verfahren zur Wärmegewinnung. Diese sind: Erdwärmekollektor und Erdwärmesonde. Bei beiden Systemen wird mithilfe einer Trägerflüssigkeit die Wärme aus der Erde zur Wärmepumpe transportiert. [4]

 

 

 

 

3.1.1 Erdwärmekollektor

Erdwärmekollektoren bestehen meist aus Kunststoffrohren, die horizontal in der Erde verlegt sind. Man verlegt sie ca. 20 cm unter der örtlichen Frostgrenze. In der Regel ist das eine Tiefe von ca. 1-1,5 Meter. Die Rohre werden in der Regel mäanderförmig verlegt, mit einem Abstand von ca. 0,5-0,8 Meter. Als Wärmeträger wird normalerweise ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Ein Nachteil der Erdwärmekollektoren ist, dass sie eine große Fläche benötigen. Man benötigt in etwa die doppelte Fläche, der zu beheizenden Fläche, für den Erdwärmekollektor.

 

 

 

 

Bildquelle:

www.lfu.bayern.de/geologie/fachinformationen/geothermie

 

3.1.2 Erdwärmesonde

Als Erdwärmesonde bezeichnet man das Rohrbündel, das in einer Bohrung eingebracht ist. Die Bohrungen sind ca. 50-400 Meter tief. Die Erdwärme wird mithilfe einer Trägerflüssigkeit zur Wärmepumpe gebracht. Die Trägerflüssigkeit ist häufig Wasser, gelegentlich mit etwas Glykol als Frostschutz.

Eine Erdwärmesonde kann auch zum Kühlen genutzt werden. Hierbei wird Wärme aus Gebäuden über die Wärmepumpe in das Erdreich übertragen.

Im privaten Bereich sind die Bohrungen meist nicht tiefer als 100 Meter, da sonst zusätzlich das Bergrecht beachtet werden müsste.

Im Vergleich zum Erdwärmekollektor ist der Platzbedarf einer Erdwärmesonde sehr gering, da man in die Tiefe bohrt. 

 

 

 

Bildquelle:

www.lfu.bayern.de/geologie/fachinformationen/geothermie

 

3.1.3 CO2 Erdsonde

Die Funktionsweise einer CO2 Erdsonde beruht auf dem Verdampfungs- / Kondensationsprozess. Das flüssige CO2 läuft durch die Schwerkraft an der Rohrwand hinunter. Das CO2 sinkt immer tiefer in die Sonde. Durch die Wärme der Erde verdampft immer mehr des Kältemittels. Der CO2-Dampf steigt dann im Zentrum der Sonde nach oben und kondensiert im Sondenkopf. Dabei gibt das CO2 seine Wärme an den Wärmetauscher ab. Nachdem das CO2 wieder kondensiert ist läuft es wieder die Sonder herunter und der Verdampfungs- / Kondensationsprozess beginnt von neuem.

Bei diesem Umlauf des CO2 benötigt man lediglich die in der Erdwärme gespeicherten Energie.

Die CO2 Sonde bietet viele Vorteile im Vergleich zu anderen Sondenarten. Sie benötigt keine Umwälzpumpe im Sondenkreislauf. Da man keine zusätzliche Energie für den Sondenkreislauf benötigt haben CO2 Sonden einen sehr hohen Wirkungsgrad.

 

 

 

3.1.4 Energiepfähle

Betonbauteile lassen sich auch als Wärmeleiter nutzen und nicht nur als architektonisches Element. Dazu werden Betonbauteile mit Kunststoffrohren belegt, um die Wärme aus der Erde zu gewinnen. Der Einbau der Energiepfähle ist jedoch nur bei Errichtung des Gebäudes möglich und macht aus finanziellen Gründen nur dann Sinn, wenn sowieso ein Betonpfahl errichtet werden muss. Der Mehraufwand für die Einrichtung der Energiepfähle ist sehr gering, da die Betonbauteile aus architektonischen Gründen sowieso errichtet werden und lediglich noch mit den Rohrbündeln ausgestattet werden müssen.

 

 

 

 

3.1.5 Geothermie in Tunneln und Bergwerken

Da Tunnel und Bergwerke meistens unter der Erde sind, ist die Temperatur in ihnen deutlich höher, als an der Oberfläche. Dadurch kann ausströmendes Wasser direkt zum Heizen oder Strom erzeugen verwendet werden.

Eine andere Möglichkeit ist, die Tunnelwände mit Wärmekollektoren zu verkleiden. [5]

3.2 Tiefe Geothermie

Die tiefe Geothermie wird hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt und beginnt bei einer Tiefe von 400 Meter. In der Regel beträgt der Temperaturanstieg ca. 3°C pro 100 Meter Tiefe.

Bei der tiefen Geothermie unterscheidet man zwischen zwei Wärmevorkommen, den Hoch- und den Niederenthalpie-Lagerstätten.

3.2.1 Hochenthalpie-Lagerstätten

Die Hochentalpie-Lagerstätten machen sich die Wärmeanomalien zunutze. Sie treten häufig in vulkanischen Gegenden auf. Dort gibt es schon bei sehr geringer Tiefe sehr hohe Temperaturen von Wasser und Dampf in der Erde. Die meisten Geothermiekraftwerke weltweit nutzen diese Art von Lagerstätten, vor allem Kraftwerke in vulkanisch aktiven Ländern. Ein gutes Beispiel hierzu ist Island mit seinen 33 Vulkanen. Mithilfe der Erdwärme deckte Island 2004 53 % seines Primärenergiebedarfs. 

Auch in Deutschland gibt es Wärmeanomalien. Die nachfolgende Karte verdeutlicht dies. Man sieht, dass am Oberrheingraben und am Molassebecken in 2000 Metern Tiefe Temperaturen von über 100°C herrschen. 

3.2.2 Niederenthalpie-Lagerstätten

Niederenthalpie-Lagerstätten sind vor allem in nichtvulkanischen Gebieten anzutreffen. Bei Lagerstätten dieser Art sind meist sehr tiefe Bohrungen notwendig, da man zur Stromerzeugung Temperaturen über 100°C benötigt.

Es gibt drei unterschiedliche Verfahren, diese Niederenthalpie-Lagerstätten zu nutzen. Je nach geologischer Lage des Standortes, benötigter Energiemenge und dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung wird eines dieser drei Verfahren gewählt.

3.2.3 Hydrothermale Systeme

Wird eine hohe Temperatur im Grundwasser in großer Tiefe festgestellt, werden zwei Bohrungen, eine injektions- und eine Förderbohrung gebohrt. Anschließend werden in das Gestein kleine Risse, durch die Wasser hindurchfließen kann, mit kaltem Wasser, das mit hohem Druck eingepumpt wird, erzeugt. Durch die Förderbohrung wird heißes Wasser gefördert und durch Stromerzeugung abgekühlt. Wenn es kalt genug ist wird es durch die Injektionsbohrung wieder in das Gestein gepumpt. Dadurch wird es wieder erwärmt.

3.2.4 Petrothermale Systeme

Bei diesem Verfahren wird Wasser in heiße, wasserfreie Gesteinsschichten, die sich in großer Tiefe befinden, injiziert. Dieses Wasser wird nun durch das Gestein erwärmt und wieder nach oben gepumpt. Dieses System wird auch „Hot-Dry-Rock-System“ (HDR) genannt.
Eine solche Anlage existiert bereits in Soultz-sous-Forêts im Elsass.
Das nebenstehende Schaubild zeigt ein Petrothermales System mit einer Injektionsbohrung und zwei Produktionsbohrungen, die zusammen einen geschlossenen Wasserkreislauf bilden.

3.2.5 Tiefe Erdwärmesonde

Die tiefe Erdwärmesonde besteht aus einem Rohr, das senkrecht nach unten verläuft. An der Wand des Rohres fliest eine Flüssigkeit, Wasser oder CO2 herab. Da die Wand des Rohres vom anliegenden Gestein erwärmt wird, wird auch die Flüssigkeit warm und verdampft. Dadurch steigt sie in der Mitte des Rohres wieder nach oben und kann genutzt werden.

Die Leistung einer solchen Anlage ist geringer als die anderer Anlagen, da die Fläche auf der die Flüssigkeit erwärmt wird nur das Rohr, also sehr klein ist.

 

 

 

 

 

 

4. Wärmepumpe

4.1 Funktionsweise einer Wärmepumpe

Die Funktionsweise der Wärmepumpe ist im Prinzip identisch mit der des Kühlschranks.

Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt diese nach Außen ab. Eine Wärmepumpe hingegen nutzt Wärme aus der Umwelt, z.B. die Wärme der Erde, und gibt diese als Heizenergie an das Haus ab.

Das nebenstehende Schaubild verdeutlicht noch einmal die Funktionsweise einer Erdwärmepumpe. [6]

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Vorteile einer Wärmepumpe

Die von der Wärmepumpe erzeugte Wärmeleistung stammt zu 78% von der Energie der Erde (bei einer Erdwärmepumpe) und zu 22% aus der Antriebsenergie. Beim Vergleich mit andern Brennstoffen, wie z.B. Gas oder Öl zeigt sich ein weiterer Vorteil der Erdwärmepumpe, da andere Brennstoffe jede Menge Energie über die heißen Abgase verlieren. Um die gleiche Heizleistung wie eine Wärmepumpe zu erhalten, müssten sie 120% Energie aufwenden.

Die Betriebskosten einer Erdwärmepumpe betragen ca. 40% weniger gegenüber einer normalen Ölheizung. Zeigt die Heizkosten eines 150m² großen hauses. 

Außerdem ist die Wärmepumpe unabhängig vom Standort und benötigt keinen Schornstein. Vor allem gibt es keine Explosions- und Feuergefahr. [7]

 

 

5. Möglichkeiten der Erdwärmenutzung anhand von Beispielanlagen

5.1 Beispielanlage "Wohnhaus Sturm" in Bensheim

Familie Sturm hatte den Wunsch ein modernes, offenes Haus mit viel Licht zu haben.

Um diesem Wunsch gerecht zu werden, ist das Wohnhaus Sturm aus vier miteinander verschnittenen kubischen Baukörpern entwickelt worden. Durch eine versetzte Satteldachkonstruktion konnte der städtischen Vorgabe zur Ausführung geneigter Dachflächen in moderner Formensprache Rechnung getragen werden.

Die Familie wollte zudem die Folgekosten ihres neuen Hauses so gering wie möglich halten und dabei die immer knapper werdenden Ressourcen schonen.

Realisiert wurde das ganze dann durch solare Architektur, vernünftige Dämmung und dem Einsatz einer regenerativen Heizung, der Wärmepumpe. [8]

5.1.1 CO2 Erdwärmesonde

Bei der Wahl einer Erdwärmesonde entschied sich Familie Sturm für eine CO2-Erdwärmesonde. Bei dieser Art von Erdwärmesonde benötigt man keine zusätzliche Energie, um die Trägerflüssigkeit durch das System zu pumpen. Das Prinzip der CO2-Erdwärmesonde ist ebenso einfach wie genial: Das CO2 als Trägerflüssigkeit läuft im flüssigen Zustand an der Rohrwand hinunter, bis es in den Bereich der Verdampfung kommt. Der CO2-Dampf steigt im Zentrum der Sonde wieder nach oben und kondensiert im Sondenkopf. Dabei gibt das CO2 die Wärme an den Wärmetauscher ab und der Kreislauf beginnt wieder von neuem. [9]

5.1.2 Vergleich: Ölheizung, Wärmepumpe mit CO2-Erdsonde

5.1.3 weitere Beispielrechnungen

Kostenvergleich Öl-, Gas-Brennwert-, Pellets- und Wärmepumpenheizung (klick hier)

5.2 Erdwärme-kraftwerk Neustadt-Glewe

Nachdem erste Bohrungen 1988 und 1989 in über 2400 Metern auf fast 100°C heißes Wasser stießen, ist die Anlage seit Oktober 1994 in Betrieb. Die ersten Jahre wurde das Wärmeheizwerk nur dafür verwendet den nahe gelegenen Ort mit Wärme zu versorgen. Um an besonders kalten Tagen im Winter den Wärmebedarf abdecken zu können, verfügt die Anlage zusätzlich über eine mit Erdgas befeuerte Spitzenlastanlage. In den Sommermonaten jedoch war der Bedarf an Wärme sehr gering und eine Menge der Wärme blieb ungenutzt. Als im Jahr 2000 dann das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erweitert wurde, konnte noch eine zusätzliche Anlage zu Stromerzeugung Installiert werden. 

Das Geothermische Wärmeheizwerk hat eine Leistung von 10.400 kW. Damit kann man die Heizwärmenachfrage von rund 2 500 der 7 000 Einwohner des Ortes decken. 

Der Strom, den die Anlage erzeugt, langt um den Jahresstrombedarf von ca. 500 Haushalten zu decken. Dies entspricht einer Leistung von 1.400-1.600 MWh/a. [10]

 

5.3 Geothermische Strom und Wärmegewinnung Landau

Die größten Vorkommen an Thermalwasser befinden sich in der norddeutschen Tiefebene, am Oberrhein und im Voralpenland. Dieses Thermalwasser lässt sich jedoch nur in 800-3.500m auffinden. Durch fortgeschrittenene Technologie kann dieses Wasser durch geothermische Heizwerke für Nah- und Fernwärmeversorgung genutzt werden.

Dank jahrelanger Forschung und die dadurch neu enstandenen speziellen Kraftwerksverfahren ist heute an diesen Standorten sogar Stromerzeugung möglich. Die kreisfreie Stadt Landau in der Pfalz nahm sich Neustadt-Glewe (Mecklenburg-Vorpommern) als Vorbild, und nahm so 2007 ihr eigenes geothermisches Kraftwerk in Betrieb.

Durch den Oberrheingraben hat Landau im Vergleich zu Neustadt einige Vorteile. Es existieren dort an einigen Stellen "Hot-Spots". Bei diesen "Hot-Spots" handelt es sich um "Heiße-Flecken", in denen das Thermalwasser bei einer Tiefe ab 2.500 Metern bereits eine Temperatur von um die 150°C besitzt. Normalerweise werden dort erst, wie zB. in Neustadt-Glewe Temperaturen von ca. 100°C erreicht.

Aus diesem Grund hat die Stromerzeugung Vorrang gegenüber der Wärme, sodass es möglich ist jährlich 6.000 Haushalte mit elektrischem Strom zu versorgen. Die überschüssige Wärme ist sekundär, wird aber durch eine geplante Kapazitätserweiterung 1.000 Haushalte versorgen können. Dieser geothermische Strom ist 365 Tage im Jahr nutzbar und unterliegt keinen Jahreszeitlich bedingten Schwankungen.

Dieses Projekt wurde von der BMU (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit) gefördert. Einige Investitionsrisiken wurden von dem Bundesland Rheinland-Pfalz selbst übernommen. [11]


5.3.1 Geologie des Oberrheingrabens

Die Region zwischen Worms und Basel bietet sehr gute Vorraussetzungen für die Wärme- und Stromerzeugung. In anderen Regionen sind 30°C pro Kilometer normal, wobei in dem Gebiet des Oberrheingrabens die Temperaturen deutlich höher ausfallen. Hier betragen die Temperaturen 47°C pro km, bei 1.200m sind schon 100°C erreicht.                                                                     

Dies sind die höchsten Temperaturgradienten in Deutschland. Ein Temperaturgradient ist der räumliche Temperaturunterschied. Je höher die Temperatur, desto höher die Stromerzeugung. Das heißt es zählt jedes einzelne Grad Celsius, das erreicht werden kann.

 

 

 


5.3.2 Technische Daten der Anlage

Die Vorbereitungen dieses Projektes dauerten von 2003 - 2006 an; Ende dieses Jahres ist dann der Startschuss zum Baubeginn des Kraftwerkes gefallen. Ende 2007 war es dann soweit; Das Projekt wurde abgeschlossen und die Inbetriebnahme folgte darauf. Anfang des darauf folgenden Jahres wurde dann der endgültige Dauerbetrieb aufgenommen.

Die Ausgangsposition der Anlage bilden zwei Bohrungen, die bis zu 3.000m tief  sind. Die Förderbohrung ist hauptsächlich für die Stromerzeugung zuständig. Diese fördert 160°C heißes Thermalwasser. Der Rest beträgt 70-80°C und wird in das Fernwärmenetz eingespeist. Das Thermalwasser, das wieder  abgekühlt ist, wird über die Injektionsbohrung zurückgepumpt. So soll das Erhalten   der Wasserreservoirs in 3km Tiefe bewerkstelligt werden.                                                 

In den Wärmeversorgungsgebieten wurden extra für den Spitzenbedarf und zur   Absicherung etwaiger Schwierigkeiten der geothermischen Versorgung   dezentrale Heizanlagen eingerichtet. Man will also jedes noch so kleine Risiko   direkt dezimieren.

5.3.3 Schema der Anlage

Die höchste Priorität im Kraftwerk hat die Stromerzeugung. Die verbleibende Restwärme, kann ohne Kapazitätserweiterung 300 Haushalte versorgen.

Die innere Kraftwerkstechnik ist eine neu entwickelte Vorgehensweise, die auf dem ORC-Verfahren beruht. Der Organic-Rankine-Cycle-Prozess verfügt über eine elektrische Leistung von 3 MW.

Alle Elemente sind bei dem Bau der Anlage berücksichtig und installiert, um Strom und Wärme zu erzeugen.

Es besteht aus: Der Förder und Injektionsbohrung, die jeweils  6m voneinander entfernt sind, der Pumpenhalle, dem Turbogenerator, einer Luftkühlung für den ORC-Abschnitt, zwei Notkühlbecken falls es zu unerwünschten Überhitzungen kommt, dem Betriebsgebäude und der Schaltanlage.

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3.4 ORC-Verfahren

Bei dem ORC-Verfahren wird die geothermische Wärme auf ein organisches Lösungsmittel übertragen, die in einem zweiten Kreislauf zirkuliert. Normalerweise wird Wasser als Arbeitsmedium benutzt.

Der organische Stoff hat aber einen höheren Dampfdruck als Vorteil und wird deshalb bei einer Temperatur von 90° in einer Dampfturbine eingesetzt. Durch die Wahl dieses Stoffes, kann sich der Verdampfungsdruck besser an die jeweilige Temperatur der Wärmequelle anpasssen.

In der Anlage Landau wird der organische Stoff Isopentan (C5H12) als Arbeitsmedium benutzt.

 

 

5.3.5 Nutzungskonzept

Der elektrische Strom, der durch diese Anlage erzeugt wird, fließt direkt in das allgemeine Stromnetz, welcher nach dem EEG (Erneuerbare-Energie-Gesetz) mit 15ct/kWh, auf die Dauer von zwei Dekaden vergütet wird. Die Wärme wird für die Wohnungen eingesetzt, die direkt an das Kraftwerk angrenzen.  

Es werden zukünftig dafür auf einem 50 Hektar großem Gebiet 1.000 Haushalte errichtet, die wiederrum in diese drei Wohngebiete aufgeteilt sind: Das "Quartier Vauban", die "Cité Dagobert" mit der Universität und zu guter letzt dem "Quartier Estienne et Foch". In jedem dieser Gebiete steht eine fossile Zusatzfeuerung zur Verfügung. Die Gebiete besitzen französische Namen, weil sie auf ehemaligen französischen Militärsplätzen liegen.

5.3.6 Ergebnisse und Perspektiven

Der hier abgebildete Zirkulationstest, war erfolgreich und hat die Planungsarbeiten bestätigt und positiv überrascht. Die Temperatur ist zehn Grad Celsius höher als angenommen und liegt bei 160°C. Es wurden sechs Beobachtungs- stationen seit dem Zirkulationstest in einem Radius von drei Kilometern errichtet, um genaue Diagramme über die mikroseismischen Aktivitäten zu erlangen. Um die Wärmenutzung noch effizienter zu steigern, sind Neu- und Ausbau der Nah- und Fernwärmenetzen Pflicht.  

Ein wirtschaftliches Problem ist hierbei unumgänglich, denn je weiter ein Wärmenetz entfernt ist, desto teurer ist ihre Umsetzung. Aus diesem Grund müssen die Wärmeabnehmer vorerst unmittelbar an der Anlage wohnen, damit die Kosten für das Unternehmen nicht zu hoch werden. Man wird in den kommenden Jahren versuchen die Kosten für Fernwärmenetze zu optimieren, damit die Technologie der Geothermie in ganz Deutschland besser genutzt werden kann.

6. Quellen und Weblinks

[1]www.erneuerbare-energien.de/fileadmin/ee-import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/ee_in_deutschland_graf_tab.pdf

[2] „GeothermieEnergie aus dem heißen Planeten“ Materialien und Informationen für Schüler und Lehrer; Geothermische Vereinigung 

[3] de.wikipedia.org/wiki/Geothermie

[4] www.lfu.bayern.de/geologie/fachinformationen/geothermie/geothermie_oberflaechennah/index.htm

[5] www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie/technologien/geothermie-aus-tunneln.html

[6] www.abacon-berlin.de/waermepumpe.html

[7] www.abacon-berlin.de/vorteile_der_erdwaermenutzung.html

[8] www.co2-erdsonde-bensheim.de

[9] www.greentec-solar.de/kategorie1/02559f97820ef1549/index.html

[10] www.neustadt-glewe.de/verzeichnis/visitenkarte.php

[11] www.3sat.de/page/