EEV AG zum Thema: Erneuerbare Energien – Geothermie

Wie die Erdwärme entsteht

Bereits etwa 10 m unter der Erdoberfläche weist das Erdreich eine über das ganze Jahr annähernd konstante Temperatur auf. Mit zunehmender Tiefe erhöht sich die Temperatur im Untergrund um ca. 3°C pro 100 m³. Die Wärme der Erde resultiert aus hauptsächlich drei „Wärmequellen“.

Energie aus der Gravitationsenergie bei der Erdentstehung:

Vor rund 4,5 Milliarden Jahren entstand die Erde durch schrittweise Zusammenballung von Materie innerhalb eines vorhandenen Nebels. Die durch den Aufprall fast vollständig in Wärme umgewandelte Gravitationsenergie ist gegenwärtig noch im Erdinneren gespeichert.

Ursprungsenergie:

Eine weitere Quelle stellt die Energie dar, die aus der gegebenenfalls von vor der Erdentstehung noch vorhandenen so genannten Ursprungswärme stammt.

Energie aus dem Zerfall radioaktiver Isotope:

Darüber hinaus enthält die Erde radioaktive Elemente wie Uran (U238, U235), Thorium (Th232) und Kalium (K40). Auf Grund des radioaktiven Zerfalls dieser Elemente entsteht in der Erde über Millionen von Jahren Energie und damit Wärme. Diese Wärme ist auf Grund der meist schlechten Wärmeleitfähigkeit der Gesteine zum überwiegenden Teil nach wie vor in der Erde gespeichert. Bei einer Addition der heute noch vorhandenen Wärme aus der Erdentstehung bzw. der Ursprungswärme und der schon freigesetzten und infolge des weiteren Zerfalls radioaktiver Isotope noch freisetzbaren Wärme errechnet sich eine Gesamtwärme der Erde von gegenwärtig zwischen 12 und 24×10 hoch 30 Joule. Davon befinden sich in der äußeren Erdkruste bis rund 10.000 m Tiefe etwa 10 hoch 26 Joule.

Erdwärme als regenerative Energie

Art. 1 des „Gesetzes zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Strombereich“ beinhaltet die Neufassung des „Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG)“. Nach der Gesetzesbegründung dienen die Vorschriften des Gesetzes wie bereits das bislang geltende EEG unter besonderer Berücksichtigung des Verursacherprinzips der Verwirklichung des Schutzauftrages des Art. 20 a GG für die natürlichen Lebensgrundlagen in Verantwortung für die künftigen Generationen sowie der Verwirklichung der Umweltschutzziele der Art. 2, 6, 10 und 175 des Vertrages zur Gründung der Europäischen Gemeinschaft.

Was versteht man genau unter regenerativer Energie?

Auf der Erde findet man zwei Hauptenergieträger, die fossilen und die regenerativen Energieträger. Fossile Energieträger bzw. Brennstoffe sind durch geologische Prozesse im Laufe der Erdgeschichte gebildete Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas, Kohle und Torf, deren Lagerstätten durch Ausbeutung bald erschöpft sein werden. Als regenerative Energieträger bezeichnet man Energieträger, die sich ständig erneuern. Erneuerbare Energien haben vier originäre Quellen:

1. Strahlung der Sonne
2. Kraft der Gezeiten
3. Wärme des Erdinneren
4. Windkraft

Der Vorteil der Erneuerbaren Energien ist, dass sie geringe Teile der natürlichen Energieströme der Biossphäre entnehmen und nach Erfüllung der Energiedienstleistung wieder an die Umwelt zurückgeben. Teilweise wird in der Literatur vertreten, dass Erdwärme, ebenso wie Sonnenenergie theoretisch nicht unerschöpflich sei. Strenggenommen ist die Erdwärme tatsächlich keine regenerative Energiequelle, da sowohl die Heißwasser- und Dampfquellen als auch die heißen Gesteinsschichten sich je nach Entnahmemenge im Laufe des Nutzungszeitraumes abkühlen können; jedoch gemessen am Energiebedarf der Menschheit ist sie als unerschöpflich zu betrachten.

Zurzeit wird in Deutschland nur ein geringer Teil der Energieversorgung aus einer umweltgerechten Energiequelle entnommen. In Deutschland wurden im Jahre 2000 etwa 14.200 PJ Primärenergie verbraucht. Primärenergie ist der Energieinhalt von Energieträgern, die noch keiner Umwandlung unterworfen worden sind, z.B. fossile Brennstoffe wie Stein- und Braunkohle, Erdöl und -gas, Kernbrennstoffe, Erneuerbare Energien wie Wasserkraft, Sonnenenergie, Windkraft und Erdwärme.

Die Energieversorgung erfolgt hauptsächlich aus Mineralöl, das etwa 40 Prozent zur Deckung des Bedarfs beiträgt. Erdgas, welches im Gegensatz zur Stein- und Braunkohle, die zurzeit nur noch etwa ein Viertel des Bedarfes decken, immer bedeutender wird, deckt 21 Prozent des Bedarfes ab. Kernenergie hat einen Anteil von 13 Prozent am Primärenergieverbrauch Deutschlands. Nur etwa 2 Prozent des Primärbedarfs in Deutschland werden von Erneuerbaren Energien abgedeckt. Bis heute tragen die Erneuerbaren Energien zur gesamten Wärmeversorgung nur etwa 1 Prozent bei.

Vorteile der Erneuerbaren Energien, insbesondere der Erdwärme

Bei dieser Art der Energiegewinnung wird, nach heutigem Wissensstand, Primärenergie durch den Einsatz einer praktisch unerschöpflichen und damit quasi regenerativen Energiequelle gewonnen.

Die Nutzung regenerativer Energiequellen bringt positive Umweltauswirkungen mit sich, wie z.B. die Schonung fossiler Energiequellen sowie die Entlastung von Wärmefreisetzung und Emissionen. Des Weiteren ist die Umwelt-, Klima- und Gesundheitsverträglichkeit hervorzuheben.

Die Erneuerbaren Energien stellen eine bedarfsgerechte Nutzungsmöglichkeit dar und gewährleisten eine dauerhafte Versorgungssicherheit. Große Risiken, im Vergleich zur Kernenergie, werden vermieden. Erneuerbare Energien sind deshalb gesamtökologisch wünschenswert.

Bezüglich der Erdwärmenutzung ist hervorzuheben, dass die im Grundwasser gespeicherte Wärme die am besten geeignete Wärmequelle darstellt. Aber auch die Nutzung der reinen Erdwärme durch Wärmetauscher ist eine sehr günstige Wärmequelle. Die Schwankungen der Erdreichtemperaturen nehmen nämlich mit zunehmender Tiefe ab. Bei diesen untiefen Systemen wird grundsätzlich nur dem Gestein die Wärme entzogen. Allerdings ist zu beachten, dass der Wärmenachschub verbessert werden kann, wenn ein Grundwasserleiter durchbohrt wird.

Der besondere Vorteil der Erdwärme ist die Möglichkeit der direkten Nutzung. Dies bedeutet, dass die im Untergrund vorhandene Energie nicht indirekt über Turbinen verstromt, sondern direkt zur Gewinnung von Wärme und Klimakälte eingesetzt wird. Diese Nutzungsart führt zu einem wesentlich geringerem Wärme- und damit Energieverlust als bei anderen Arten der Energiegewinnung.

Gegenüber den Erneuerbaren Energien wie z.B. Wind, Wasser, und Photovoltaik hat die Geothermie den Vorteil, dass sie witterungs- und saisonunabhängig erzeugt werden kann. Probleme von Über- bzw. Unterkapazitäten der Energiegewinnung, wie sie vor allem bei der Stromerzeugung aus Windenergie kaum zu vermeiden sind, sind bei geothermischen Anlagen ausgeschlossen.

Förderung der Erneuerbaren Energien

Der Deutsche Bundestag hat am 29. März 2000 das „Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien“ verabschiedet, das zum 1. April 2000 in Kraft getreten ist und das Stromeinspeisungsgesetz (StrEG) abgelöst hat. Der Anteil Erneuerbarer Energien an der Energieversorgung soll durch das EEG im Hinblick auf den Umwelt- und Klimaschutz deutlich erhöht werden. Zur Umsetzung dieses Zieles dient die Festsetzung eines fixen Vergütungssatzes mit gesicherter Laufzeit für die Stromeinspeisung aus Erneuerbaren Energien sowie die Vorrangregelung für Erneuerbare Energien. Hierdurch soll sowohl die Investitionssicherheit der bisher überwiegend privaten Betreiber erhöht als auch die externen Kosten internalisiert werden.

Förderung der Energieforschung

In die Erforschung neuer Energietechnologien hat die Bundesregierung in den Jahren 2006 bis 2012 insgesamt rund 3,9 Milliarden Euro investiert. Förderschwerpunkte sind die Energieeffizienz und der Ausbau Erneuerbarer Energien. Mit Hilfe des Markteinführungsprogramms des Bundes wurden auch wärmebereitstellende Anlagen, wie z.B. Solarthermie und Geothermie gefördert. Das Markteinführungsprogramm, das bis zum Jahr 1998 eine jährlichen Etat von rund 10 Millionen Euro hatte, ist 1999 mit einem Mittelvolumen von ca. 100 Millionen Euro umgesetzt worden.Die Ökozulage stellt eine zusätzliche steuerliche Förderung privater Bauherren für den Einbau von Solaranlagen dar.

Überblick über die Möglichkeiten der Erdwärmenutzung

Die Nutzung der Erdwärme wird in zwei Kategorien eingeteilt – oberflächennahe und tiefe Geothermie.
Als oberflächennahe Geothermie bezeichnet man die Verwendung von Erdwärme bis zu einer Tiefe von 400 m. Ab einer Tiefe von 400 m spricht man von Tiefen-Geothermie. Diese Abgrenzung geht ursprünglich auf eine administrative Festlegung in der Schweiz zurück. Der Wert von 400 m als Untergrenze der Nutzung der oberflächennahen Erdwärme ist aber inzwischen auch in andere Richtlinien eingegangen (z.B. VDI-Richtlinie 4640, Förderrichtlinien des Bundesministeriums für Wirtschaft).
Die oberflächennahe Nutzung der Erdwärme ist mit unterschiedlichen Techniken, Verfahren und Konzepten möglich. Allen ist gemeinsam, dass die im Erdreich entzogene Energie auf einem geringen Temperaturniveau, meist unter 20°C, anfällt. Oberflächennahe geothermische Systeme sind in der Regel nur sinnvoll für die Beheizung eines Gebäudes.

1. Geschlossene Systeme
Bei geschlossenen Systemen werden ein oder mehrere Wärmeüberträger installiert und von einem Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf durchströmt. Die Installation kann horizontal oder vertikal erfolgen. Als Wärmeträger wird Wasser mit Frostschutzmittel oder auch das Wärmepumpen-Arbeitsmittel selbst verwandt.
Geschlossene Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass das Wärmeträgermedium nicht in direktem Kontakt mit der Gesteinsmatrix und der Porenfüllung steht.

2. Offene Systeme
Die Nutzung oberflächennaher Erdwärme kann auch durch Grundwasserbrunnen erfolgen. Im Gegensatz zum geschlossenen System, bei dem die Wärmequelle das Erdreich darstellt, wird beim offenen System das Grundwasser als Wärmequelle genutzt. Grundwasser hat ein relativ konstantes Temperaturniveau von 8 bis 12°C und eignet sich daher sehr gut als Wärmequelle für Wärmepumpen. Koaxialbrunnen werden in einer Tiefe von 120 bis ca. 200 m, Grundwasserbrunnen zwischen 4 und 50 m tief eingebracht. Grundwasserbrunnen sind als Anlage mit einem Bohrloch oder als Zweischachtsystem (Doublette) möglich.

Ab einer Bohrtiefe von 400 m spricht man von tiefer Geothermie.

1. Tiefe Sonden
Bei tiefen Sonden wird als Wärmeträgermedium meist aufbereitetes, mit Inhibitoren versetztes Wasser verwendet. Die Temperatur steigt entsprechend dem geothermischen Gradienten mit zunehmender Tiefe im Gebirge an. Damit erwärmt sich das Wärmeträgermedium auf dem Weg zum tiefsten Punkt des Bohrloches und entzieht so dem Gebirge Energie. Das wichtigste Element einer tiefen Sonde ist jedoch die Pumpe, die den Wärmeträgerumlauf ermöglicht.

2. Hydrothermale Erdwärmenutzung
Bei der Nutzung von hydrothermaler Erdwärme wird mit Hilfe von Tiefbohrungen salzhaltiges Wasser aus warm- oder heißwasserführenden Aquiferen (poröse Gesteinsschichten, in denen Grundwasser fließt) entzogen und an die Erdoberfläche gepumpt. Das abgekühlte Tiefenwasser wird im Regelfall wieder in den Aquifer verpresst, aus dem es zuvor gefördert wurde.

3. Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR)
Die in heißen, trockenen Gesteinsschichten enthaltene Energie kann durch das HDR-Verfahren erschlossen werden. Das HDR-Verfahren stellt einen geschlossenen Wasserkreislauf dar. Hierzu wird eine Tiefenbohrung niedergebracht und anschließend das Grundgebirge aufgebrochen, um Fließwege zu erzeugen. Die Bohrung erfolgt in einer Tiefe von mindestens 4000 bis 6000 m. Bislang werden max. 10 km tiefe Bohrungen eingebracht. Durch eine zweite Bohrung wird anschließend der aufgebrochene Bereich durchteuft. Das von der Erdoberfläche durch die erste Bohrung in die Bruchzone eingepumpte kalte Wasser erwärmt sich an der als Wärmeaustauschfläche dienenden großen Oberfläche der Bruchzone und wird durch die zweite Bohrung heiß entnommen. Auf Grund der zwei Bohrungen spricht man auch vom so genannten Doublettenbetrieb.

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