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Home > Verschiedenes > Tiefe Geothermie Tiefe Geothermie von Dr. Ludwig Lindner vom 10.07.2009 Grundlagen der Geothermie1) Geothermie oder Erdwärme stammt zu etwa 30-50 % aus der Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung und zu 50 -70 % aus radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Millionen von Jahren Wärme erzeugt haben und auch heute noch erzeugen. Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4800 °C bis 7700 °C. Fast überall hat das Erdreich in 1 Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C Mit zunehmender Tiefe in der Erdkruste steigt die Temperatur an. Im Durchschnitt beträgt die Temperaturerhöhung 35 °C bis 40 °C pro Kilometer Eindringtiefe (geothermische Tiefenstufe). Unter besonderen geologischen Bedingungen –wie in heutigen oder früheren Vulkangebieten , wie z.B. in Island – entstehen geothermische Anomalien. Hier kann die Temperatur in geringer Tiefe viele hundert Grad Celsius erreichen. Diese Wärmeenergie hat sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe an den Weltraum bis heute erhalten. Dieser Anteil der Geothermie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z. B. Uran-235 (Halbwertszeit 7,04 x 108 Jahre) und Uran-238 (Halbwertszeit 4,47 x 109 Jahre) und deren radioaktive Folgeprodukte (wie z:B. auch Radon), Thorium-232 (Halbwertszeit 1,405 x 1010 Jahre) und Kalium-40 (Halbwertszeit 1,28 x 109 Jahre) zurück. Weitere radioaktive Isotope sind nicht vorhanden, da sie auf Grund der langen Erdgeschichte längst zerfallen sind. Die Wärme wird aus tieferen Teilen der Erde durch Wärmeleitung, in für die Nutzung erreichbare Tiefen transportiert. Wegen der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung vorwiegend nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste gespeicherte Energie genutzt. Eine Geothermienutzung muss dabei so dimensioniert werden, dass die Auskühlung der betreffenden Erdschicht so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet. Methoden der Geothermienutzung2) Von Oberflächennaher Geothermie spricht man bis 400m Tiefe, ab 400 m Tiefe von Tiefer Geothermie. Erdwärmekollektor: geschlossenes flächiges Leitungsnetz, in einigen Metern Tiefe im Erdboden. Nutzung : Heizung und Kühlung kleiner Gebäude. Als Wärmeträger wird Wasser eingesetzt, das im Kreis umgepumpt wird. Mit einer elektrischen Wärmepumpe können so aus 1 kWel. 4 kW Wärmeleistung beigestellt werden. Erdwärmesonde: Geschlossenes U-Rohr in Bohrungen bis 150 m Tiefe. Nutzung : Heizung und Kühlung von Gebäuden. Als Wärmeträger wird Wasser eingesetzt, das im Kreis umgepumpt wird. Mit einer elektrischen Wärmepumpe können so aus 1 kWel. 4 kW Wärmeleistung beigestellt werden. Tiefe Erdwärmesonde: geschlossenes Doppel U-Rohr in Bohrungen von 2000 bis 3000 m Tiefe (Temperatur 80 -120 °C) Nutzung: Wärme für Industrie, Großbauten, Schwimmbäder und Nahwärmenetze. Hydrogeothermie: Brunnen in tiefen Thermalwasserhorizonten. Nutzung: Wärme für Industrie, Großbauten, Schwimmbäder und Nahwärmenetze sowie Stromerzeugung. Hier wird in geologisch günstigen Gebieten heißes Thermalwasser (aus Heißwasser-Aquiferen) hochgepumpt und in eine Wärmenetz abgegeben bzw. über einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung genutzt. Das abgekühlte Thermalwasser wird dann über eine separate Leitung in das unterirdische Thermalwassersystem zurückgegeben, natürlich in genügendem Abstand zur Förderleitung. Beispiel: Unterhaching. 3) Hot-Dry Rock-Verfahren (HDR): Wärmeaustauschersystem in heißen und tiefen Gesteins-schichten. Nutzung: Stromerzeugung sowie Wärmegewinnung für Industrie, Großbauten, Schwimmbäder und Nah- und Fernwärmenetze. Technische Realisierungen von Tiefengeothermie-Projekten in Deutschland Aus geologischer Sicht sind folgende Gebiete für die Hydrogeothermie (Heißwasser-Aquifere) und für das Hot-Dry Rockverfahren geeignet4):
Als erste geothemische Stromerzeugungsanlage in Deutschland ging 2004 in Neustadt-Glewe (Norddeutsches Becken, Mecklenburg, südöstlich von Schwerin) eine Anlage mit einer installierten Leistung von 230 kWel in Betrieb. Beginn der 1. Bohraktivitäten bereits 1988.5) Das Thermalwasser (110 m3/h)steigt auf Grund des unterirdischen Überdrucks aus 2.300 m Tiefe unter die Erdoberfläche. Eine in 260 m Tiefe hängende Unterwasserpumpe fördert das Wasser nach oben und drückt es nach Reinigung oberirdisch durch Titanwärmeaustauscher, wo es die Wärme an den Wärmekreislauf bzw. an den Turbinen-Kreislauf (ORC-Prozes Organic Rankine Cycle – synthetischer organischer Stoff, der bei 30oC siedet) abgibt. Der Rücktransport des abgekühlten Thermalwassers erfolgt über unterirdische Leitungen durch eine Injektionsbohrung in die Sandsteinschicht. Das größte Erdwärme-Kraftwerk in Deutschland wird in Unterhaching bei München (nordalpines Molassebecken) zur Strom- und Wärmeerzeugung betrieben. Das Wasser wird aus einer Tiefe von 3.500 m hochgepumpt mit einer Temperatur von 122 bis 133 0C. Dabei kommt in Deutschland die Kalina-Technik zum Einsatz mit „mäßigem Wirkungsgrad“. Das heiße Wasser erwärmt dabei ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser, das bereits bei relativ niedrigen Temperaturen Dampf erzeugt. Die Anlage ist auf 3,4 MWel ausgelegt, die Wärmeversorgung war bereits im Herbst 2007 gestartet, inzwischen wird 1/3 der Haushalte der Region damit versorgt.1,6) Ein weiteres Kalina-Projekt wurde im Frühjahr 2005 bei Offenbach in der Südpfalz in Angriff genommen. Aus einer Bohrtiefe von 2500 Metern will man hier hundert Liter Thermalwasser pro Sekunde mit einer Temperatur von 150 Grad fördern und in eine elektrische Leistung von 4,8 MW umsetzen. Wie in Unterhaching handelt es sich um ein Forschungsprojekt, das zur Hälfte staatlich finanziert wird. Es soll den grundsätzlichen Nachweis erbringen, daß im Oberrheintalgraben eine wirtschaftlich günstige geothermische Stromerzeugung aus Thermalwasser führenden Gesteinsschichten (Aquiferen) möglich ist. Eine Nutzung des Thermalwassers für die Fernwärmeversorgung ist in diesem Fall nicht vorgesehen 7) In Landau/Pfalz arbeitet seit 2007 eine Anlage mit der ORC-Technik (Organic Rankine Cycle, mit einer Leistung von 2,5 MWel. Aus einer Tiefe von 3300 Metern stammt das 160 Grad heiße Wasser, das über eine Förderbohrung an die Oberfläche gepumpt wird. Über einen Wärmetauscher gibt es seine Wärme ab und treibt Turbinen an, mit denen Strom erzeugt wird. Die Restwärme des dann noch 70 bis 90 Grad heißen Wassers wird in einem zweiten Schritt für die Versorgung mit Fernwärme genutzt. Das ausgekühlte Wasser fließt über eine zweite Bohrung wieder in die ursprünglichen Gesteinsschichten zurück. 20 Mill. € kostete das Projekt.Laut Bundesumweltamt sollte die Einspeisevergütung für Erdwärme-Strom auf 16Cts/kWh erhöht werden, um einen Investitionsanreiz für weitere Geothermie-Kraftwerke zu geben. 8,9) Auf der anderen Rheinseite in Soultz sous Forêts im Elsaß sind in 5.000 m Geothermie im Ausland und weltweit Weltweit gibt es mittlerweile 250 geothermische Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von 8.000 – 9.000 MW , was etwa der Leistung von 9 Kernkraftwerken entspricht. Der größte geothermische Kraftwerkskomplex ist „The Gyers“ in Kalifornien USA mit einer Leistung von 750 MW. 12) Versuch einer Prognose für die Geothermie in Deutschland4) Der Ausbau der Geothermischen Energienutzung ist hauptsächlich für die Stromproduktion von Intersse. Die besten Bedingungen für den Aufbau einer geothermischen Kraftwerkskapazität hat der Oberrheingraben aufgrund seiner geologischen Struktur, der sowohl über ausreichend temperierte Heißwasser-Aquifere als auch über die am leichtesten erschließbaren Kristallinvorkommen verfügt. Der Aufbau einer geothermischen Stromerzeugung mit einer Größenordnung von 1.000 MW innerhalb der nächsten 15 Jahre
Bisher ist die tiefe Geothermie noch ein riskantes Unternehmen. Die Stromerzeugung ist sehr teuer und wird durch das EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) subventioniert. Daher ist es sinnvoll, das Verfahren zunächst an ein oder zwei Projekten über viele Jahre zu erproben. Nur bei Wirtschaftlichkeit sollte in größerem Stil weiter gemacht werden. Literatur:
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