geothermische Energie: Die Wärme aus der Erde

geothermische Energie: Die Wärme aus der Erde

 

Die Erde ist ein großer Wärmespeicher, dessen thermische Energie den Wärmeinhalt aller fossilen Lagerstätten um Größenordnungen übersteigt. Messungen bis zu einer Tiefe von etwa 10000 m zeigen: In der äußeren Erdkruste steigt die Temperatur alle 1000 m um rund 30 ºC an. Werte für größere Tiefen ergeben sich aus Modellrechnungen. Im Erdkern dürfte die Temperatur bei einigen Tausend Grad liegen. Diese Hitze speist jedoch die Wärme in der Erdkruste nur zum kleineren Teil, der größte Teil (rund 70 %) stammt aus dem radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium, das im Gestein der Erdkruste enthalten ist.

 

Die Erdwärme gilt als erneuerbare Energie. Unter diesen ist sie die einzige, die nicht von der Sonne abhängt. Die Gesamtwärmemenge liegt zwar nur im Promillebereich dessen, was die Erde aus der eingestrahlten Sonnenenergie absorbiert. Dennoch sind die erzielbaren Leistungen interessant für eine energetische Nutzung.

 

 Natürliche Erdwärmenutzung

 

In den vulkanisch und geologisch aktiven Zonen der Erde herrschen günstige Bedingungen für rege Wärmeströme. Das zeigt z.B. die Aktivität von Geysiren. Ihre Ursache ist Grundwasser, das durch Klüfte und Spalten tief in die Erdkruste eindringt und in einigen Tausend Meter Tiefe durch heiße Magmen aufgeheizt wird. Danach steigt es unter Druck nach oben und tritt an Rissen und Öffnungen in der Erdoberfläche als Heißwasser- und Heißdampfquelle zutage. Der Heißdampf kann bei Drücken von 8 bis 10 bar eine Temperatur von 250 ºC erreichen. Bei Heißwasser liegen die Drücke zwischen 1 und 10 bar, die Temperatur reicht von 80 bis 150 ºC. Diese Erdwärmereservoirs werden weltweit an geeigneten Standorten genutzt, um daraus elektrischen Strom oder Heiz- und Prozesswärme zu gewinnen.

 

 Künstliche Entnahme von Erdwärme

 

Wo Heißwasser und Heißdampf nicht von alleine austreten, gibt es mehrere technische Verfahren zur Nutzung. Zu den Verfahren, die die Erdwärme aus dem Erdinneren nutzen, zählen die hydrothermale Geothermie, geothermische Kraftwerke und das Hot-Dry-Rock-Verfahren. Die oberflächennahe Erdwärme lässt sich über Wärmepumpen und Erdwärmesonden nutzen. Dazu bringt man u-förmig gebogene Rohre in Bohrungen (einige Hundert Meter) ein, durch die Wasser geleitet wird. Das Kaltwasser nimmt beim Durchströmen Erd-wärme auf.

 

 Hydrothermale Geothermie

 

Schon in wenigen Hundert Meter Tiefe kommen an günstigen Stellen heiße Tiefenwasser vor, die bis gut 2000 m hinabreichen können. Geologisch handelt es sich dabei meist um Ablagerungsbecken urzeitlicher Meere. Auch in weniger vulkanischen Regionen gibt es also Formationen, die eine Nutzung der Erdwärme nahe legen. Hierzu werden zwei Bohrungen in die wasserführende Schicht (Aquifer) abgeteuft, eine Förder- und eine Injektionsbohrung, die etwa 2000 m auseinander liegen. Eine Tauchpumpe hebt das heiße Wasser nach oben und mittels eines Wärmetauschers wird die thermische Energie auf einen Heizwasserkreislauf übertragen. Je nach Wassertemperatur kann bei Bedarf eine Wärmepumpe hinzugefügt werden. Das abgekühlte Wasser wird über die Injektionsbohrung wieder zurück in den Untergrund geleitet.

 

 Geothermische Kraftwerke

 

In geothermischen Kraftwerken erzeugen Dampfturbine und Generator Strom. Beim Trockendampfprinzip wird überhitzter Dampf direkt aus dem Erdreservoir auf die Turbinenschaufeln geleitet. Beim Flashverfahren wird überhitztes Wasser aus Heißwasserquellen einem unter geringem Druck stehenden Flashkessel zugeführt, wobei Dampf entsteht, der anschließend die Turbine treibt. Beide Verfahren haben den Nachteil, dass mögliche Verunreinigungen zu Korrosion führen können. Um dies zu vermeiden, wird beim Binärverfahren ein niedrig siedendes Arbeitsmedium in einem zweiten Kreislauf über einen Wärmetauscher durch das Heißwasser der geothermischen Lagerstätte erhitzt und so der Dampf für die Turbine erzeugt.

 

 Hot-Dry-Rock-Verfahren

 

Viel schwieriger gestaltet sich das Hot-Dry-Rock-Verfahren, bei dem heißes, trockenes Gestein mit einer Temperatur von etwa 200 ºC in einigen Kilometer Tiefe als natürlicher Wärmetauscher fungiert. Um eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch zu erhalten, wird in das Gestein unter hohem Druck (etwa 200 bar) stehendes Wasser gepresst, das jenes zerklüftet. In der Betriebsphase wird weiterhin Wasser unter Druck eingepresst. Durch die Erdwärme verdampft das Wasser. Der Dampf steigt durch eine zweite Bohrung wieder nach oben und kann dort zum Antrieb einer Turbine genutzt werden. Es ist jedoch noch nicht endgültig geklärt, wie lange diese Klüfte offen gehalten werden können und wie ergiebig sie sind.