Geothermie-Kraftwerk

Geothermie

Tief unter der Erdoberfläche herrschen sehr große Temperaturen. Damit verbunden sind enorme Mengen an Wärme, die in Gesteins- und Erdschichten sowie unterirdischen Wasserreservoirs gespeichert sind. Sie werden zum Teil an Vulkanen, heißen Quellen und Geysiren sichtbar.

Die Energie aus Geothermie wird sowohl in Form von Wärme genutzt als auch zur Erzeugung von Strom. Unter den weltweit genutzten erneuerbaren Energien hat sie jedoch den kleinsten Anteil. Ihr großer Vorteil im Vergleich zu Wasserkraft, Solar- oder Windenergie ist aber ihre verlässliche und stetige Verfügbarkeit unabhängig von Tageszeiten oder Wetterbedingungen, außerdem beeinflusst die Förderung von Geothermie die Umwelt an der Oberfläche nur wenig.

Zwei Rohre für das Wasser führen unter einem Gebäude ins Erdreich. Vom Gebäude ausgehend führen Stromleitungen zu einer Stadt.
Geothermisches Kraftwerk

Wie die Erfahrung zeigt, wird es wärmer, je tiefer man in das Innere der Erde vordringt. In Mitteleuropa nimmt die Wärme um etwa drei Grad pro 100 Meter Tiefe zu. Die Temperatur erreicht im Erdkern etwa 5000 bis 7000 Grad Celsius.

Es sind vor allem zwei Quellen, die diese Wärme erzeugen. Zum einen besteht sie aus Restwärme, die bei der Entstehung der Erde durch die Verdichtung des Materials, aus dem sie besteht, erzeugt wurde. Zum anderen kommt die Wärme aus dem radioaktiven Zerfall der Elemente Thorium-232, Uran-235, Uran-238 und Kalium-40, der vor allem in der Erdkruste und in dem bis zu 2900 Kilometer tiefen Mantel stattfindet. Als Obergrenze für die Wärmeerzeugung aus radioaktiven Quellen wurde durch den japanischen Neutrinodetektor KamLAND im Jahr 2012 und durch den Neutrinodetektor Borexino im Gran Sasso Labor Anfang 2013 ein Wert von 4500 Milliarden Watt ermittelt. Den Großteil macht dabei der Zerfall von Uran und Thorium aus.

Zur Nutzung dieser geothermischen Wärmequellen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Am einfachsten ist es, wenn die Wärme im Untergrund bereits als Dampf oder heißes Wasser vorhanden ist, die dann über eine Bohrung an die Oberfläche befördert werden können, ähnlich der Wirkungsweise von Geysiren in der Natur. Generell jedoch unterscheidet man zwei Arten der Geothermie: oberflächennahe Geothermie und tiefe Geothermie.

Oberflächennahe Geothermie

Bei der oberflächennahen Nutzung der Erdwärme wird bis zu 400 Meter tief gebohrt, so kann Wasser mit einer Temperatur bis zu 25 Grad Celsius gefördert werden, das Gebäude und technische Anlage beheizt oder kühlt. Hierzu wird ein geschlossenes Rohrsystem in die Bohrlöcher eingelassen, durch das kontinuierlich Wasser gepumpt wird. Dadurch wird Untergrundwärme auf das Wasser übertragen und an die Oberfläche transportiert, wo es über Wärmepumpen auf die für die jeweilige Nutzung benötigten Temperaturen gebracht wird.

Foto: Hügelige Landschaft, ohne Bewuchs, weißer Dampf steigt aus der Erde. Der Geysir schießt eine Fontäne Wasser senkrecht nach oben.
Geysire - Zeugnisse der Erdwärme

Nach Angaben der Agentur für Erneuerbare Energien und des Bundesverbandes Geothermie waren im Jahr 2016 in Deutschland rund 350 000 oberflächennahe Geothermieanlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 4100 Megawatt in Betrieb. Oberflächennahe und Tiefengeothermie erzeugten 2016 zusammen 12,273 Terawattstunden an Wärmeenergie und 0,159 Terawattstunden an elektrischem Strom.

Tiefe Geothermie

Bei der Tiefengeothermie gibt es zwei verschiedene Arten: hydrothermale und petrothermale Systeme in Tiefen von 3000 bis 7000 Metern. Hydrothermale Systeme setzen an wasserführenden Schichten an, den sogenannten Aquiferen. Hier wird das heiße Thermalwasser direkt für die Energiegewinnung genutzt.

Petrothermale Systeme hingegen nutzen die Wärme des heißen Tiefengesteins aus. Der überwiegende Teil der geothermischen Ressourcen Deutschlands ist in diesen Systemen gespeichert. Die Energiegewinnung verläuft jedoch anders als bei der oberflächennahen Geothermie.

Beim sogenannten Hot-Dry-Rock-Verfahren presst man zum Beispiel über Bohrungen Wasser in das heiße Gestein mit einem Druck von bis zu 150 bar, wobei im Gestein viele Spalten und Kanäle aufspringen. Das so geschaffene System aus natürlichen und künstlichen Rissen bildet einen unterirdischen Wärmetauscher. Durch dieses Kanalsystem wird dann von oben Wasser hindurchgepumpt. Das Wasser nimmt die Wärme des heißen Gesteins auf, erhitzt sich dabei und wird dann zurück an die Oberfläche befördert. An der Erdoberfläche kommt es mit Temperaturen von weit über 100 Grad Celsius an und kann dann zur Erzeugung von Strom genutzt werden.

Nach geologischen Schätzungen zum Potenzial petrothermaler Systeme steht in Deutschland im Tiefenbereich von 3000 bis 7000 Metern so viel Energie zur Verfügung, dass die Bevölkerung sich damit beim heutigen Verbrauch theoretisch für gut 10 000 Jahre vollständig mit Strom und Wärme versorgen könnte.

Nach Angaben des Bundesverbandes Geothermie waren im Jahr 2016 in Deutschland 30 Heizwerke, 9 Kraftwerke (nur Stromproduktion) und 6 Heizkraftwerke (Wärme und Strom) mit einer Gesamt-Wärmeleistung von 303,96 Megawatt und einer Gesamt-Stromleistung von 36,9 Megawatt installiert.

Potenziale und globale Nutzung von Geothermie

Die Geothermie wurde 2015 nach Angaben des Bundesverbands Geothermie in 78 Ländern der Erde zur Bereitstellung von Wärme und in 24 Ländern für die Generierung von Strom genutzt. Die Nutzung der Geothermie im Asien-Pazifik-Raum findet vor allem im sogenannten Ring of Fire statt, der Neuseeland, die Philippinen, Japan und den östlichen Teil Russlands umfasst. In dieser Gegend der Erde befindet sich auch das größte Potenzial für den Einsatz von Erdwärme in größerem Umfang. Nach Angaben des Renewable Energy Policy Network (REN21) wurden im Jahr 2016 weltweit 79 Terawattstunden an direkter Wärme für Heizung und Kühlung aus Geothermie gewonnen.

Im Jahr 2015 war nach Angaben des Bundesverbands Geothermie für die Stromproduktion aus Erdwärme in 24 Staaten eine Kapazität von 12,594 Gigawatt installiert. Die Länder mit den sechs größten Kapazitäten waren die USA (3,450 GW, 209 Kraftwerke), die Philippinen (1870 GW, 56 Kraftwerke), Indonesien (1340 GW, 22 Kraftwerke), Mexiko (1,017 GW, 37 Kraftwerke), Neuseeland (1,005 GW, 43 Kraftwerke) und Italien (0,916 GW, 33 Kraftwerke). Die Gesamterzeugung von Strom betrug 63,588 Terawattstunden durch 526 Kraftwerke. Deutschland nahm auf dieser Liste den Platz 19 ein.

Für die Produktion von Wärme war 2015 weltweit eine thermische Gesamtleistung von 70 274 Megawatt in Betrieb, verteilt auf über 79 Länder, die eine Wärmeenergie von 163 097 Gigawattstunden erzeugten. Die fünf größten Wärmeerzeuger waren die Volksrepublik China (17 870 MW), die USA (17 415 MW), Schweden (5600 MW), die Türkei (2886 MW) und Deutschland mit einer thermischen Leistung von 2848 Megawatt.