Die Geothermie, oder Erdwärme, ist die in dem oberen (zugänglichen) Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde entstehende oder gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann und zählt zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt, als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden. Mit Geothermie wird auch sowohl

• die wissenschaftlich-technische Beschäftigung mit der Geothermie, als auch
• die wissenschaftliche Beschäftigung mit der thermischen Situation des Erdkörpers, Geothermik bezeichnet.

Datei:Geothermie Feldtest in Tibet.jpg

Ursprung geothermischer Energie

Geothermie stammt zum geringeren Teil (30 Prozent) aus der Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung (Akkretion) zum größeren Teil (70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen. Ganz oberflächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu.

Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4500 °C bis 6500 °C. 99 Prozent unseres Planeten sind heißer als 1000 °C; 99 Prozent vom Rest sind immer noch heißer als 100 °C. Fast überall hat das Erdreich in 1 Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C (siehe auch Geothermische Tiefenstufe). Unter besonderen geologischen Bedingungen – zum Beispiel in heutigen oder früheren Vulkangebieten – entstehen geothermische Anomalien. Hier kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.

Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung

Die Erde ist vor zirka 4,6 - 4,7 Milliarden Jahren durch Akkretion von Materie entstanden. Hierbei erhitzt sich das Material, wobei kinetische Energie (Bewegungsenergie) in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme hat sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe an den Weltraum bis heute zum größten Teil erhalten und kann als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung bezeichnet werden.

Radioaktive Zerfallsprozesse

Dieser Anteil der Geothermie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z.B. Uran-235 und U-238, Thorium-232 und Kalium-40 zurück. Diese Elemente sind in die Kristallgitter bestimmter Minerale eingebaut, beispielsweise in die Feldspäte und Glimmer in Graniten. Es handelt sich um eine natürliche Form der Kernenergie.

Die Leistung, die aus dem radioaktiven Zerfall resultiert, beträgt etwa 16 · 10¹² Watt. Bei einem mittleren Erdradius von 6 371 km beträgt die geothermische Leistungsdichte des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,032 Watt pro Quadratmeter Erdoberfläche.

Wärmestrom aus dem Erdinneren

Die Wärme wird aus tieferen Teilen der Erde durch Wärmeleitung, also Konduktion, aber auch durch Konvektion in für die Nutzung erreichbare Tiefen transportiert.

Der terrestrische Wärmestrom, die von der Erde pro Quadratmeter an den Weltraum abgegebene Leistung ist etwa 0,063 Watt/m² (Wärmestromdichte). Dies ist ein relativ kleiner Wert und weist schon darauf hin, dass sich Geothermie vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet. In anomalen Gebieten, wie etwa vulkanischen Gebieten kann der Wärmefluss um ein Vielfaches größer sein.

Wegen der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung vorwiegend nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste gespeicherte Energie genutzt oder abgebaut. Eine Geothermienutzung muss so dimensioniert werden, dass die Auskühlung des betreffenden Erdkörpers so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet.

Einteilung der Geothermiequellen

Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der

• oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung, meist zum Heizen und Kühlen, und der
• tiefen Geothermie zur direkten Nutzung oder auch zur Stromerzeugung unterschieden.

Weiterhin wird zwischen Hoch- und Niedrigenthalpie-Lagerstätten unterschieden. Hochenthalpie bedeutet, dass derartige Lagerstätten eine hohe Temperatur bereit stellen.

Tiefe Geothermie

Je tiefer man in der Erdkruste bohrt, umso höher steigt die Temperatur an. Im Durchschnitt erhält man pro Kilometer Tiefe eine Temperaturerhöhung von 35 °C bis 40 °C (geothermische Tiefenstufe). Die geothermische Tiefenstufe ist jedoch regional sehr unterschiedlich. Abweichungen vom Standard werden als Wärmeanomalien bezeichnet. Interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höheren Temperaturen. Hier können die Temperaturen schon in geringer Tiefe mehrere hundert Grad betragen. Derartige Anomalien sind häufig an Vulkanaktivität geknüpft. In der Geothermie gelten sie als hochenthalpe Lagerstätten. Sie werden weltweit zur Stromerzeugung genutzt.

Hochenthalpie-Lagerstätten

Die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten dominiert. Diese sind Wärmeanomalien die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen. Dort sind mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern.

Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen können Hochenthalpie-Lagerstätten mehr dampf- oder mehr wasserdominiert sein. Früher wurde der Dampf nach der Nutzung in die Luft entlassen, was zu erheblichem Schwefelgeruch führen konnte (Italien, Ladarello). Heute werden die abgekühlten Fluide in die Lagerstätte reinjiziert (zurück gepumpt). So werden negative Umwelteinwirkungen vermieden und gleichzeitig die Produktivität durch Aufrechterhalten eines höheren Druckniveaus in der Lagerstätte verbessert.

Niederenthalpie-Lagerstätten

In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr unterschiedlich sein. In der Regel sind jedoch, wenn für die Nutzung höhere Temperaturen gebraucht werden, tiefe Bohrungen notwendig. Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung werden Temperaturen über 100 Grad gebraucht. Liegen diese in einem Aquifer vor, so kann aus diesem Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden. Man spricht dann von Hydrothermaler Geothermie. Ist das Gestein, in dem die hohen Temperaturen angetroffen wurden wenig permeabel, so dass aus ihm kein Wasser gefördert werden kann, so kann man dort auf einem künstlichem Risssystem Wasser zirkulieren lassen. Man spricht von Petrothermaler Geothermie. Eine weitere Möglichkeit, bei der allerdings vergleichsweise wenig Energie extrahiert wird, ist eine tiefe Erdwärmesonde, wo das Wasser nur innerhalb der Sonde zirkuliert (Geschlossenes System).

Generell werden im Bereich der tiefen Geothermie drei Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund unterschieden:

• Hydrothermale Systeme: im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter (Aquifere)
• Petrothermale Systeme, oft auch HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) genannt: mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser zwischen zwei tiefen Brunnen zirkuliert.
  Tatsächlich ist die Annahme, bei diesen Temperaturen und Tiefen trockene Gesteinsformationen vorzufinden, nicht korrekt. Aus diesem Grund existieren auch verschiedene andere Bezeichnungen für dieses Verfahren: u. a. Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) oder Enhanced Geothermal System (EGS). Eine neutrale Bezeichnung ist Petrothermale Systeme.
• Tiefe Erdwärmesonden: das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde

Welches der in Frage kommenden Verfahren zum Einsatz kommt, ist von den geologischen Voraussetzungen am Standort, von der benötigten Energiemenge und dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung abhängig. Derzeit werden in Deutschland fast ausschließlich hydrothermale Systeme geplant. HDR-Verfahren befinden sich in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forêts im Elsass in der Erprobung. In SE-Australien (Cooper Basin, New South Wales) ist seit 2001 ein kommerzielles Projekt im Gange (Firma Geodynamics Limited).

Hydrothermale Systeme

Für die hydrothermale Geothermie werden in großen Tiefen natürlich vorkommende Thermalwasservorräte, sogenannte Heißwasser-Aquifere (Wasser führende Schichten) angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme oder Strom möglich.

Petrothermale Systeme

Gesteine in größerer Tiefe weisen hohe Temperatur auf (Hot Dry Rock). Diese Energie kann zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Um die Wärme dieser Gesteine nutzen zu können, müssen sie von einem Wärmeträger durchflossen werden, der die Energie anschließend an die Oberfläche bringt. Das durch die heißen Gesteinsschichten erhitzte Wasser kann zur Bereitstellung von Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Besonders interessant ist die Erzeugung von Strom aus dem heißen Dampf. Hierfür wird das im Untergrund erhitzte Wasser dazu genutzt, eine Turbine anzutreiben. Der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem steht so unter Druck, dass ein Sieden des eingepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst an der Turbine entsteht.

Das in der Tiefe vorhandene heiße Gestein wird über Bohrungen erschlossen. Hierbei gibt es mindestens eine Förder- und eine Verpressbohrung, welche durch einen geschlossenen Wasserkreislauf verbunden sind. Zu Beginn wird Wasser mit enorm hohem Druck in das Gestein gepresst (hydraulische Stimulation); hierdurch werden Fließwege aufgebrochen oder vorhandene aufgeweitet und damit die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht. Dieses Vorgehen ist notwendig, da sonst die Wärmeaustauschfläche und die Durchgängigkeit zu gering wären. Das so geschaffene System aus natürlichen und künstlichen Rissen bildet einen unterirdischen, geothermischen Wärmetauscher. Durch die Injektions-/ Verpressbohrung wird Wasser in das Kluftsystem eingepresst, wo dieses zirkuliert und sich erhitzt. Anschließend wird es durch die zweite Bohrung, die Produktions-/Förderbohrung, wieder an die Oberfläche gefördert.

Tiefe Erdwärmesonden

Die tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung. Sie besteht aus einer tiefen Bohrung (2000-3000 m) in der ein Fluid zirkuliert, in der Regel in einem koaxialen Rohr. In einem dünneren Innenrohr fließt die kalte Flüssigkeit nach unten, in dem größeren Außenrohr die erwärmte Flüssigkeit wieder hoch. Derartige Erdwärmesonden haben gegenüber offenen Systemen den Vorteil, dass kein Kontakt zum Grundwasser besteht. Sie sind an jedem Standort möglich. Ihre Entzugsleistung hängt neben technischen Parametern von den Gebirgstemperaturen und der Leitfähigkeiten des Gesteins ab. Sie wird jedoch nur einige hundert kW sein und somit wesentlich kleiner als bei einem vergleichbaren offenen System. Dies liegt daran, dass die Austauschfläche mit dem Gebirge sehr klein ist, da sie praktisch der Mantelfläche der Bohrung entspricht.

Neue Tiefe Erdwärmesonden werden zurzeit (2005) in Aachen (Universität) und Arnsberg (Freizeitbad Nass) gebaut.

Alternativ zur Zirkulation von Wasser (eventuell mit Zusätzen) in der Erdwärmesonde sind auch Sonden mit Direktverdampfern vorgeschlagen worden. Diese können auch als Heatpipes oder Wärmerohre bezeichnet werden. Als Arbeitsmittel kann entweder eine Flüssigkeit mit einem entsprechend niedrigen Siedepunkt verwendet werden, oder ein Gemisch beispielsweise aus Ammoniak und Wasser. Eine derartige Sonde kann auch unter Druck und dann beispielsweise mit Kohlendioxid betrieben werden. Heatpipes können eine höhere Entzugsleistung haben als konventionelle Sonden, da sie auf ihrer gesamten Länge die Verdampungstemperatur des Arbeitsmittels haben können.

Oberflächennahe Geothermie

Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark. Mit zunehmender Tiefe nehmen diese Temperaturschwankungen schnell ab, und in 5 bis 10 m Tiefe entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch der Jahresmitteltemperatur des Standortes (ca. 8 bis 10 °C in Deutschland). Mit weiter zunehmender Tiefe steigt die Temperatur entsprechend der Geothermischen Tiefenstufe an. Auch diese ist standortabhängig.

Mittels Erdwärmesonden (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme), aber auch mit erdgebundenen Beton-Bauteilen wird die Wärme an die Oberfläche gefördert. Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren. Mit Erdwärme kann im Sommer aber auch gekühlt werden.

Geothermie aus Bergbauanlagen

Bergwerke und ausgeförderte Erdgaslagerstätten, die wegen der Erschöpfung der Vorräte stillgelegt werden, sind denkbare Projekte für Tiefengeothermie. Dies gilt eingeschränkt auch für tiefe Tunnelbauwerke. Die dortigen Formationswässer sind je nach Tiefe der Lagerstätte 60 bis 120 °C heiß, die Bohrungen oder Schächte sind oft noch vorhanden und könnten nachgenutzt werden, um die warmen Lagerstättenwässer einer geothermischen Nutzung zuzuführen.

Derartige Anlagen zur Gewinnung der geothermischen Energie müssen so in die Einrichtungen zur Verwahrung des Bergwerks integriert werden, dass die öffentlich rechtlich normierten Verwahrungsziele, das stillgelegte Bergwerk (§ 55 Absatz 2 Bundesberggesetz und § 69 Abs. 2 Bundesberggesetz) gefahrenfrei zu halten, auch mit den zusätzlichen Einrichtungen erfüllt werden.

Saisonale Wärmespeicher

Geothermie steht immer, also unabhängig von der Tages- und Jahreszeit und auch unabhängig vom Wetter zur Verfügung. Optimal wird eine Anlage dann arbeiten wenn sie auch dementsprechend zeithomogen genutzt wird. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn im Winter geheizt und im Sommer gekühlt wird und die hierzu nötigen Energiemengen etwa gleich sind. Beim Kühlen im Sommer ergibt sich dabei eine Erwärmung des Reservoirs und damit dessen Regeneration. Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Anlagen z. B. Solarthermie kombiniert wird. Solarthermie stellt Wärme vorwiegend im Sommer zur Verfügung, wenn sie weniger gebraucht wird. Durch Kombination mit Geothermie lässt sich diese Energie im Sommer in den unterirdischen Wärmespeicher einspeisen und im Winter wieder abrufen. Die Verluste sind standortabhängig, aber in der Regel gering.

Saisonale Speicher können sowohl oberflächennah, als auch tief ausgeführt werden. Sogenannte Hochtemperatur Speicher (<50 Grad) sind allerdings nur in größerer Tiefe denkbar. Beispielsweise verfügt das Reichstagsgebäude über einen derartigen Speicher.

Nutzung von Erdwärme

Die Geothermie ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Mit den Vorräten, die in unserem Planeten gespeichert sind, könnte im Prinzip der weltweite Energiebedarf gedeckt werden.

Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen Direkter Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst und der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk. Aus der Sicht der Optimierung von Wirkungsgraden sind auch hier Kraft-Wärme-Kopplungen (KWK) optimal. Das Problem sind hierbei die Abnehmer der Wärme. Nicht an jedem Kraftwerksstandort werden sich Abnehmer für die Wärme finden lassen. Die Forderung nach ausschließlich KWK- Projekten bleibt ein Wunschtraum.

Direkte Nutzung

Geothermische Energie wird seit über 10.000 Jahren genutzt. Unsere Vorfahren haben vermutlich geothermisches erwärmtes Wasser zum Kochen, Baden und Heizen verwendet.

Frühe balneologische Anwendungen finden sich in den Bädern des Römischen Reiches, im Mittleren Königreich der Chinesen und der Ottomanen. In Chaudes-Aigues im Zentrum Frankreichs existiert das erste historische, geothermische Fernwärmenetz dessen Anfänge bis ins 14. Jahrhundert zurückreichen.

Wärme wird heutzutage in vielfältiger Weise gebraucht (Wärmemarkt). Eine klassische Darstellung der dabei benötigten Temperaturen gibt das Lindal Diagramm (Baldur Lindal, 1918-1997):

Für die meisten Anwendungen werden nur relativ niedrige Temperaturen benötigt. Aus tiefer Geothermie können häufig die benötigten Temperaturen direkt zur Verfügung gestellt werden. Reicht dies nicht, so kann die Temperatur durch Wärmepumpen angehoben werden, so wie dies meist bei der oberflächennahen Geothermie geschieht. Hier sind nur wenige Anwendungen ohne Wärmepumpe möglich. Die wichtigste ist die natürliche Kühlung, bei der Wasser mit der Temperatur des flachen Untergrundes, also der Jahresmitteltemperatur des Standortes, direkt zur Gebäudekühlung verwendet wird. Diese natürliche Kühlung hat das Potential, weltweit Millionen von elektrisch betriebenen Klimageräten zu ersetzen. Sie wird jedoch derzeit nur wenig angewendet.

Eine weitere direkte Anwendung ist das Eisfreihalten von Brücken und Straßen. Auch hier wird keine Wärmepumpe benötigt, denn der Speicher wird durch Abführung und Einspeicherung der Wärme von der heißen Fahrbahn im Sommer regeneriert. Dazu zählt auch das frostfreie Verlegen von Wasserleitungen. Die im Boden enthaltene Wärme lässt den Boden im Winter nur bis in eine geringe Tiefe einfrieren.

Für die Wärmenutzung aus tiefer Geothermie eignen sich niedrigthermale Tiefengewässer mit Temperaturen zwischen 40 und 100 °C, wie sie vor allem im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen Tiefebene vorkommen. Das Thermalwasser wird gewöhnlich aus 1000 bis 2500 Metern Tiefe über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, gibt den wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie per Wärmeübertrager an einen zweiten, den "sekundären" Heiznetzkreislauf ab. Ausgekühlt wird es anschließend über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund verpresst, und zwar in die Schicht, aus der es entnommen wurde.

Stromerzeugung

Zur Stromerzeugung wurde die Geothermie zum ersten mal in Larderello in der Toskana eingesetzt. 1913 wurde dort von Graf Piero Ginori Conti ein Kraftwerk erbaut, in dem Wasserdampf-betriebene Turbinen 220 kW elektrische Leistung erzeugten. Heute werden dort 400 MW Strom in Italiens Energienetz eingespeist. Unter der Toskana treffen die nordafrikanische und die eurasische Kontinentalplatte aufeinander, was dazu führt, dass sich Magma relativ dicht unter der Oberfläche befindet. Dieses heiße Magma erhöht hier die Temperatur des Erdreiches soweit, dass eine wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme möglich ist.

Bei der hydrothermalen Stromerzeugung sind Wassertemperaturen von mindestens 100 °C notwendig. Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen über 150 °C können direkt zum Antreiben einer Turbine genutzt werden. In Deutschland liegen allerdings die üblichen Temperaturen geologischer Warmwasservorkommen niedriger. Lange Zeit wurde Thermalwasser daher ausschließlich zur Wärmeversorgung im Gebäudebereich genutzt. Neu entwickelte Organic Rankine Cycle- Anlagen (ORC) ermöglichen allerdings eine Nutzung von Temperaturen ab 80 °C zur Stromerzeugung. Diese arbeiten mit einem organischen Medium, das bei relativ geringen Temperaturen verdampft. Dieser Dampf treibt über eine Turbine den Stromgenerator an. Eine Alternative zum ORC-Verfahren ist das Kalina-Verfahren. Hier werden Zweistoffgemische, so zum Beispiel aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsmittel verwendet. Für Anlagen in einem kleineren Leistungsbereich (< 200 kW) sind auch motorische Antriebe wie Stirlingmotoren denkbar. Geothermie ist grundlastfähig.

Die Stromerzeugung aus Geothermie ist traditionell in Ländern, die über Hochenthalpie- Lagerstätten verfügen, in den Temperaturen von mehreren hundert Grad in vergleichsweise geringen Tiefen (< 2000 m) angetroffen werden. Die Lagerstätten können dabei, je nach Druck und Temperatur, Wasser- oder Dampf-dominiert sein. Bei modernen Förderungstechniken werden die ausgekühlten Fluide reinjiziert, so dass praktisch keine negativen Umweltauswirkungen, wie Schwefelgeruch, mehr auftreten.

Geothermie weltweit

Geothermie ist eine bedeutende erneuerbare Energie. Einen besonderen Beitrag zu ihrer Nutzung leisten hierbei die Länder, die über Hochenthalpie-Lagerstätten verfügen. Dort kann der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergieversorgung des Landes erheblich sein , z.B. Geothermale Energie in Island.

Direkte Nutzung international

Im Jahr 2005 waren zur direkten Nutzung von Geothermie weltweit Anlagen mit einer Leistung von 27.842 Megawatt oder fast 28 Gigawatt installiert. Diese haben Energie in der Größenordnung von 261.418 Terajoule pro Jahr oder 72.616 Gigawattstunden pro Jahr (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe im Jahr von 8,29 GW oder bei einer Weltbevölkerung 2005 von 6,465 Mrd. Menschen 1,28 Watt/Mensch – durschnittlicher Primärenergeiverbrauch 2.100 Watt/Mensch – oder 0,061 % des Primärenergieverbrauchs der Welt) geliefert. Der Ausnutzungsgrad der installierten Leistung beträgt also etwa 30 % (diese Kennzahl ist wichtig für die überschlägige Kalkulation der Wirtschaftlichkeit von geplanten Anlagen).

Länder mit Energieumsätzen größer als 5.000 TJ/a zeigt die Tabelle.

Besonders hervorzuheben ist Schweden. Diese Land ist geologisch eher benachteiligt, hat aber durch eine konsequente Politik und Öffentlichkeitsarbeit diesen hohen Anteil bei der Nutzung erneuerbarer Energien vorwiegend zum Heizen erreicht.

Stromerzeugung international

Stromerzeugung aus Geothermie konzentriert sich traditionell auf Länder die über entsprechende Hochenthalpie-Lagerstätten verfügen (meist Vulkangebiete). In Ländern, die dies, wie Deutschland nicht haben, kann Strom bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, wie 100-150 °C erzeugt werden, oder es ist entsprechend tief zu bohren. Weltweit ist geradezu ein Boom bei der Nutzung von Geothermie zur Stromerzeugung eingetreten. Die installierte Leistung beträgt 2005: 8912 GW und damit werden 56 798 GWh/a elektrische Energie erzeugt.

Niederenthalpie-Lagerstätten werden bisher weltweit wenig genutzt. Zukünftig werden sie an Bedeutung gewinnen, da diese Nutzung überall möglich ist und nicht spezielle geologische Bedingungen voraussetzt. Deutschland kann in dieser Technologie eine Führerschaft übernehmen. Im November 2003 wurde das erste derartige Kraftwerk Deutschlands, das Geothermie-Kraftwerk Neustadt-Glewe, in Betrieb genommen.

In den letzten 5 Jahren wurde die Stromerzeugung stark ausgebaut. Auf Länder bezogen ergeben sich weltweit die in der Tabelle angegebenen Zuwächse für den Zeitraum 2000-2005.

Bezogen auf die pro-Kopf Nutzung der Erdwärme ist Island heute Spitzenreiter mit 200 MW_e installierte Gesamtleistung (Geothermale Energie in Island). Die USA führen dagegen mit einer installierten Gesamtleistung von 2000 MW_e vor Indonesien.

Situation in Deutschland

Auch in Deutschland ist die direkte Nutzung (Wärmepumpenheizung) schon verbreitet und hat hohe Zuwachsraten. Die Stromerzeugung steckt noch in den Anfängen, jedoch sind eine Vielzahl von Kraftwerken im Bau oder in der Planung.

Aus den derzeit bekannten Ressourcen hydrothermaler Geothermie könnte bis zu 29 Prozent der in der Bundesrepublik benötigten Wärme bereitgestellt werden.

Für Deutschland ergibt sich laut der Zahlen des BMU [1] für das Jahr 2004 das folgende Bild:

Der Energieerzeugung im Jahr 2004 aus der Geothermie von 5.609 TJ/a (entsprechend einer mittleren Leistungsabgabe von 0,178 GW im Jahr 2004) steht ein Primärenergieverbrauch in Deutschland im selben Jahr von 14.438.000 TJ/a (entsprechend einer mittleren Leistung von 458 GW) gegenüber. Es wurden also im Jahr 2004 0,04 % des Primärenergieverbrauchs in Deutschland durch Geothermie gedeckt.

Die Geothermie-Branche rechnet in Deutschland mit einem jährlichen Wachstum von 14 Prozent. Im laufenden Jahr (Stand: März 2005) werden sich der Umsatz auf etwa 170 Millionen Euro und die Investitionen auf 110 Millionen Euro belaufen. Etwa 10.000 Menschen arbeiten bereits direkt oder indirekt für die geothermische Energieversorgung (Quelle, siehe Literatur/Statistik, 2.).

Direkte Nutzung

Im Bereich der tiefen Geothermie gibt es in Deutschland zurzeit 30 Installationen mit Leistungen über 100 kW. Dies leisten zusammen 105 MW (Quelle, siehe Literatur/Statistik, 4.). Die meisten dieser Einrichtungen stehen im

• Norddeutschen Becken, in der
• Süddeutschen Molasse oder in der
• Oberrheinischen Tiefebene/Oberrheingraben.

Der norddeutsche Raum verfügt geologisch bedingt über ein großes Potential geothermisch nutzbarer Energie in thermalwasserführenden Porenspeichern des Mesozoikums in einer Tiefe von 1000 bis 2500 m mit Temperaturen zwischen 50 °C und 100 °C. Die Geothermische Heizzentrale (GHZ) in Neubrandenburg war eines der Pilotprojekte zur Nutzung der Geothermie.

Der Oberrheingraben bietet deutschlandweit besonders gute geologische Voraussetzungen (u. a. Temperatur, Wärmefluss, Struktur im Untergrund). An verschiedenen Standorten sind Projekte in Planung und im Bau. Für viele Regionen sind bereits Konzessionen erteilt worden. Untersucht wird zum Beispiel, ob in das Fernwärme-Netz der Ruhr-Universität und der Fachhochschule Bochum Erdwärme eingespeist werden kann.

Baden-Württemberg hat genau wie Nordrhein Westfalen ein Förderprogramm für Erdwärmesonden-Anlagen für kleine Wohngebäude aufgelegt, mit einer Förderung der Bohrmeter, siehe Weblinks.

Zusätzlich gibt es in Deutschland mehr als 50.000 oberflächennahe Geothermieanlagen, bei denen Wärmepumpen zum Anheben der Temperatur eingesetzt werden. Diese haben zusammen eine Leistung von mehr als 500 MW. Im Vergleich zu Schweden, Schweiz oder Österreich ein eher geringer Marktanteil. Im Jahr 2000 betrug er in Deutschland 2 bis 3 %, in Schweden 95 %, und in der Schweiz 36 % (Siehe auch Wärmepumpenheizung)

Stromerzeugung

Das erste geothermische Kraftwerk in Deutschland ist im November 2003 in Mecklenburg-Vorpommern in Betrieb genommen worden. Die elektrische Leistung des Geothermie-Kraftwerks Neustadt-Glewe beträgt bis zu 230 kW. Aus einer Tiefe von 2250 Metern wird etwa 97 °C heißes Wasser gefördert und zur Strom- und Wärmeversorgung genutzt. Im Jahr 2004 betrug die erzeugte Strommenge 424 000 Kilowattstunden (Quelle: AGEE-Stat/BMU), angestrebt sind jährlich ca. 1,2 Mio. Kilowattstunden. Die Inbetriebnahme stellt einen Meilenstein in der Entwicklung der geothermischen Stromerzeugung dar, dem weitere Projekte folgen werden. Der Bau von Geothermiekraftwerken erlebt in Deutschland zurzeit geradezu einen Boom. Viele Kraftwerke sind im Bau oder in der Planung. Die meisten davon im Oberrheintal und in der oberbayrischen Molasse. Das Landesoberbergamt hat dort bis 2005 fast 50 Aufsuchungsgenehmigungen vergeben.

Die für die Stromerzeugung erforderlichen Wärmereservoirs mit hohen Temperaturen sind in Deutschland nur in großer Tiefe vorhanden. Theoretisch kann fast überall im Land eine Bohrung mit der nötigen Tiefe erfolgen. Mit Leistungsgrößen von 20 bis 50 MW könnten Heizkraftwerke etwa 30 Prozent des deutschen Stromverbrauchs bereitstellen. Die für den Betrieb erforderlichen Temperaturen zu erschließen, ist ein eher finanzielles und kein technisches Problem. Forschungsarbeiten zur Nutzung tief liegender weitgehend wasserundurchlässiger Gesteine laufen und versprechen die Möglichkeiten zur Stromerzeugung weiter zu erhöhen. Eine Studie des Deutschen Bundestages gibt das Potential der Stromproduktion mit 10²¹ Joule an.

Staatliche Fördermaßnahmen

• Marktanreizprogramm zu Gunsten erneuerbarer Energien
• Programme der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW)
• Förderprogramme von Länder und Kommunen

Ökonomische Aspekte

Die geringe Nutzung der überall vorhandenen und vom Energieangebot her kostenlose Geothermie liegt darin begründet, dass sowohl der Wärmestrom, mit ~0,06 Watt/m² als auch die Temperaturzunahme mit der Tiefe, mit ~3°C/100 m in den zugänglichen Teilen der Erdkruste, von besonderen Standorten abgesehen, so gering sind, dass sich zur Zeit niedriger Energiepreise eine wirtschaftliche Nutzung nicht darstellen ließ. Durch das Bewusstwerden des -Problems und der absehbaren Verknappung der fossilen Energieträger setzte eine stärkere geologische Erkundung und technische Weiterentwicklung der Geothermie ein.

Da die eigentliche Energie, die Geothermie kostenlos ist, wird die Wirtschaftlichkeit einer Geothermienutzung vor allem durch die Investitionskosten (Zinsen) und Unterhaltskosten der Anlagen bestimmt.

Unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen (Erneuerbare-Energien-Gesetz) ist eine Wirtschaftlichkeit bei größeren Geothermieanlagen auch in Deutschland in vielen Gebieten, wie in z.B. Oberbayern, Oberrheingraben und Norddeutsches Becken, erreichbar. Grundsätzlich sind größere Geothermieanlagen (über 0,5 MW und mit einer Tiefe von mehr als 500 m) immer mit gewissen Fündigkeitsrisiken behaftet, da die tieferen Erdschichten eben nur punktuell und oft in geringem Ausmaß erkundet sind. Dabei lassen sich die anzutreffenden Temperaturen meist recht gut prognostizieren, die bei hydrothermalen Anlagen aber besonders relevanten Schüttmengen sind jedoch häufig nicht gut vorhersehbar. Neuerdings werden allerdings Risikoversicherungen dazu angeboten.

Die oberflächennahe Erdwärmenutzung für die Heizung von Gebäuden mittels einer Wärmepumpe ist bereits konkurrenzfähig und zeichnet sich durch sehr niedrige Betriebskosten aus. Wärmepumpenheizungen bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Erdwärmesonde(n) und einer Wärmepumpe. 2004 wurden in Deutschland etwa 9.500 neue Anlagen errichtet, der Bestand übersteigt 50.000. In der Schweiz waren es 2004 rund 4.000 neue Anlagen mit Erdwärmenutzung. Der Marktanteil in Deutschland ist im Gegensatz zu Ländern wie Schweden oder Österreich jedoch sehr gering.

Bei den Betriebskosten spielt die Beständigkeit der Anlagen gegen Verschleiß (z.B. bewegte Teile einer Wärmepumpe oder eines Stirlingmotors) eine Rolle. Bei offenen Systemen kann Korrosion durch aggressive Bestandteile im wärmetransportierenden Wasser entstehen (alle Teile in der Erde und die Wärmeübertrager). Diese anfänglich bedeutenden Probleme sind jedoch heute weitgehend technisch gelöst.

Ökologische Aspekte

Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit. Sie ist zwar im strengen Sinne nicht vollständig regenerativ, aber ihr Potenzial ist sehr groß. Theoretisch würde allein die in den oberen 3 Kilometer der Erdkruste gespeicherte Energie ausreichen, um die Welt für etwa 100.000 Jahre mit Energie zu versorgen. Geothermie ist eine der wenigen erneuerbaren Energien, die bei der Stromerzeugung grundlastfähig ist. Sie leistet daher einen entscheidenden Beitrag bei der Gestaltung eines Energiemixes aus regenerativen Energien. Nach den Vorstellungen der Branche werden durch Geothermie bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen Kohlendioxid eingespart. Die Kosten für eine Tonne Einsparung liegen bei etwa 70 €/t (Vergleich: Fotovoltaik 2210 €/t).

Siehe auch

• geothermische Tiefenstufe
• Wärmepumpe
• Wärmepumpenheizung
• Kältemaschine
• Wärmeleitung
• Erdwärmeübertrager

Literatur

Statistikquellen

1. Bertini, R.:World geothermal generation 2001-2005. World Geothermal Congress, Antalya, 2005.
2. Imagekampagne: Unendlich viel Energie
3. Lund,J. et al.:World wide direct use of geothermal energy 2005. World Geothermal Congress, Antalya, 2005.
4. Schellschmidt, R. et al.:Geothermal energy use in Germany. World Geothermal Congress, Antalya, 2005.
5. Steffansson, V.:World geothermal assessment. World Geothermal Congress, Antalya, 2005.
6. Lund,J.:Ground Heat - worldwide utilization of geothermal energy. Renewable Energy World. 2005

Allgemeines

• Geothermische Vereinigung (Hrsg.): Erdwärme zum Heizen und Kühlen. Potentiale, Möglichkeiten und Techniken der Oberflächennahe Geothermie. Kleines Handbuch der Geothermie. Band 1. Red.: Sanner, B. & Bußmann, W., 113 S., Geeste, 3. überarbeitete Auflage Oktober 2001
• Eugster, W.J. & L. Laloui (Hrsg.): Geothermische Response Tests, Verlag der Geothermischen Vereinigung, 130 Seiten, Geeste 2002,
• Geothermische Vereinigung & GeoForschungsZentrum Potsdam (Hrsg.): Start in eine neue Energiezukunft. Tagungsband 1. Fachkongress Geothermischer Strom 12.-13.11.2003, Neustadt-Glewe, Geeste November 2003
• Huenges, Ernst: Energie aus der Tiefe: Geothermische Stromerzeugung. Physik in unserer Zeit 35(6), S. 282 – 286 (2004), ISSN 0031-9252

Weblinks

Allgemeines

• Projektinformation: Erdwärme
• Studie des Büros für Technikfolgenabschätzung (TAB) des Deutschen Bundestages: Sachstandsbericht "Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland" aus dem Jahr 2003
• Technology Review "Atomkraftwerk unter der Erde"
• Geothermie Glossar von A-Z
• Information des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Sept. 2004)
• Geothermie in der Schweiz

Regionales

• Nutzung der Erdwärme an der RWTH Aachen
• soultz.net: Webseite des europäischen HDR-Forschungsprojekts Soultz-sous-Forêts, Frankreich
• Edwärmenutzung in Island
• Geothermie: Pilotprojekt in Deutschland
• Beschreibung eines geothermischen Kraftwerkes (Deutsch)
• Erdwärme in Baden-Württemberg, Förderprogramm

Organisationen

• Geothermische Vereinigung e.V.
• International Geothermal Association
• European Heat Pump Association
• Imagekampagne: Unendlich viel Energie
• Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR)
• WPZ - Wärmepumpentestzentrum Buchs
• IEA Heat Pump Centre
• Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik