Geothermie

Inhaltsverzeichnis

  1. Erdwärme / Geothermie als erneuerbare Energie
  2. Funktionsweise der Erdwärme
  3. Wirkungsleistung der Erdwärme
  4. Die wichtigsten technischen Daten
  5. Die weitere Entwicklung in der Zukunft
  6. Sonstige Besonderheiten (Staatliche Förderungen, Rahmenbedingungen, gesetzliche Auflagen u.a)
  7. Zusammenfassung und Fazit


Erdwärme / Geothermie als erneuerbare Energie

Im Energiebereich hat ein Umdenkungsprozess begonnen. Da es sich bei Öl, Erdgas, Uran und Kohle um endliche Energien handelt, die irgendwann einmal zur Neige gehen werden, sind erneuerbare Energien gefragt. Als heimische Energieträger machen erneuerbare Energien uns unabhängiger von teuren Öl- und Gasimporten. Wie bei neuen Energieträgern üblich, müssen dafür staatliche Vorleistungen erbracht werden. Die Geothermie bzw. Erdwärme gehört zu den erneuerbaren Energien, die ganzjährig und weltweit verfügbar sind.

Die Geothermie bzw. Erdwärme ist die Wärmeenergie unterhalb der Erdoberfläche. Die Erde besteht aus einem flüssigen Erdkern, einem zähflüssigen Erdmantel und einer festen Erdkruste. Je tiefer man in das Erdinnere vordringt, umso heißer wird es. Die Wärme aus der oberen Erdschicht bildet sich durch die Sonneneinstrahlung.


Funktionsweise der Erdwärme

Bei der Erdwärme wird grob unterschieden zwischen oberflächennaher Geothermie und Tiefengeothermie. Für die oberflächennahe Geothermie verwendet man Erdwärmekollektoren. Es handelt sich um Wärmetauscher, die einen großen Platzbedarf haben und am flachsten unter der Erdoberfläche verlegt werden. Sie haben eine Tiefe von etwa 1 bis 1,20 m. Die Wärmekollektoren gibt es in zwei verschiedenen Bauarten, der Registerausführung und den Kapillarrohrmatten. In ihnen zirkuliert die Sole 1).
Die Erdwärme wird mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein für die Raumwärme nutzbares Temperaturniveau gebracht. Propan oder Kältemittel werden dabei als Flüssigkeit in einen geschlossenen Kreislauf geführt. Bei niedrigem Druck nimmt die Flüssigkeit im Verdampfer die Wärme aus der Umgebung auf und wird mit der Pumpe auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht. Im Verflüssiger wird die Wärme an einen Heizkreislauf abgegeben und kühlt sich dabei ab. Ein Drosselventil senkt den Druck, die Temperatur fällt weiter ab. Die Flüssigkeit kann dann dem Verdampfer wieder zugeführt werden 2).

Bei der Tiefengeothermie arbeitet man mit Erdwärmesonden. Sie holen sich den natürlichen Wärmefluss aus der Tiefe des Erdinneren. Sie sind daher temperatur-unabhängig. Das Verfahren erfolgt wie bei der oberflächennahen Geothermie mit einer Wärmepumpe. Die Erdwärmesonden stoßen in Tiefen von 30 m bis 100 m vor 1). Um größere Gebäude mit Erdwärme zu versorgen, werden eventuell sogar 2 Erdwärmesonden benötigt. Bei der Installation muss zwischen den

Erdwärmesonden mindestens ein Abstand von 5 m eingehalten werden. Bei den Erdbohrungen werden ein oder zwei U-Kunststoffrohre verwendet, in denen die Sole zirkuliert. Während in einem Rohr der Vorlauf erfolgt, ist der andere U-Schenkel für den Rücklauf vorgesehen. In Wasserschutzgebieten ist der Bau von Erdwärme-sonden nicht erlaubt.
Erdberührende Betonbauteile arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Erdwärme-sonden und sind für die Statik des Gebäudes notwendig. Bei morastigen Böden müssen z.B. Betonpfähle zur Stabilisierung des Gebäudes im Boden verankert werden. Diese statisch erforderlichen Bauteile werden gleichzeitig für die Geothermie genutzt, da Beton über eine gute Wärmeleitfähigkeit verfügt. Die Nutzung notwendiger Bauteile, die gleichzeitig als Wärmetauscher fungieren, erweist sich als wirtschaftlich.

Bei der hydrothermalen Erdwärmenutzung werden im Falle von Thermalwasser im Erdinneren in 1000 m bis 2500 m Tiefe 2 Bohrungen durchgeführt. Mit der ersten Bohrung wird das heiße Thermalwasser an die Erdoberfläche gefördert und die Wärme an die Verbraucher abgegeben. Damit die Wassermenge dem Erdinneren nicht entzogen bleibt, wird Wasser mit einer zweiten Bohrung wieder in die Tiefe zurückgeführt. Sofern unterirdisch genügend Wasser nachfließt, kann auf die Rückführung verzichtet werden und den Verbrauchern als Trinkwasser zur Verfügung gestellt werden.

Beim Hot-Dry-Rock-Verfahren werden im Falle von Tiefengestein im Erdinneren bis 5000 m Tiefe 2 Bohrungen vorgenommen. Bei diesem Verfahren gewinnt man Wärme von trockenem Tiefengestein. Mit der einen Bohrung wird kaltes Wasser in die Tiefe gepumpt, das sich im undurchlässigen Gestein erhitzt. Durch die andere Bohrung fördert man heißes Wasser an die Erdoberfläche. Bei einer angenommenen Betriebstemperatur ab 175 Grad Celsius kann neben der Wärme auch Strom erzeugt werden.


Wirkungsleistung Erdwärme


Da Erdkollektoren nur knapp unter der Erdoberfläche verlegt sind, wirken sich die unterschiedlichen Temperaturen im Sommer und Winter aus. Die Wärmepumpe hat in der kalten Jahreszeit mit den niedrigsten Temperaturen im Erdboden zu tun, wo sie am meisten Arbeit zu verrichten hat. Der Nachteil der Erdwärmekollektoren besteht darin, dass die Kollektorfläche ungefähr das 2-fache der Heizfläche benötigt. Ein 100 qm-Haus braucht also bis 200 qm Kollektorfläche, die nicht überbaut werden darf. Wenn allerdings genügend Freifläche vorhanden ist, sind die langlebigen Erdwärmekollektoren mit ihren Anschaffungskosten konkurrenzfähig. Durch eine oberflächennahe Nutzung könnte theoretisch fast ein Siebtel des Raumwärme-bedarfs in Deutschland gedeckt werden 1).

Bei der Tiefengeothermie erschließen Erdwärmesonden den Wärmefluss aus dem Erdinneren. Sie sind jahreszeitlich unabhängig und arbeiten stets bei gleichen Temperaturen. Die Betriebskosten sind daher konstant. Erdwärmesonden werden im allgemeinen bis zu einer Tiefe von 100 m eingebaut. Größere Tiefen sind zwar möglich, aber meist unwirtschaftlich wegen hoher Bohrkosten. Größere Anlagen zur reinen Wärmegewinnung gibt es in Erding und Simbach (Bayern). Insgesamt wird die Geothermie in Deutschland mit relativ kleinen Anlagen betrieben.


Die wichtigsten technischen Daten

Oberflächennahe u. teilweise tiefere Geothermie 7 – 25 Grad Celsius 1)
Standorte: praktisch überall
Leistungsbereich: Erdwärmesonde 6 bis 8 KW

Hydrothermale Erdwärmenutzung 25 – 120 Grad Celsius
Standorte: Norddeutsches Tiefland, Oberrheintal, Region zwischen Donau und Alpenrand, Schwäbische Alb, Oberfranken
Leistungsbereich: 3 – 30 MW thermisch

Hot-Dry-Rock-Systeme ab 175 Grad Celsius
Standorte: künftig überall im Tiefengestein
Leistungsbereich: 20 – 50 MW elektrisch


Die Wärmepumpe entnimmt dem Stromnetz 1,5 kW an Leistung und gibt im Gegenzug 56 kW Heizleistung ab. Trotz des Eigenverbrauchs der Wärmepumpe wird unter dem Strich also Energie gespart .


Die weitere Entwicklung in der Zukunft


In heutiger Zeit ist eine Umorientierung von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien zu beobachten. Der Anteil erneuerbarer Energieträger und damit auch der Erdwärme wird sich künftig stetig erhöhen.

Im Jahr 2000 wurden weltweit bereits über 50 Mrd. kWh an geothermischer Energie genutzt. Wegen der hohen Investitionskosten ist momentan der Anteil der Geo-thermie verhältnismäßig gering. Pilotprojekte in der Tiefengeothermie sind erfolgt, die oberflächennahe Geothermie wird zunehmend genutzt. Die Tendenz ist steigend, denn die Erdwärmetechnik steht erst am Anfang der Kommerzialisierung. Der Einstieg in die Geothermie ist vollzogen. Die Entwicklung muss weltweit gefördert werden, damit langfristig die erneuerbaren Energien sich flächendeckend verbreiten
Können 2). Im Vergleich zu anderen Energien ist die Geothermie wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig. Die Investitionskosten für die Geothermie sind momentan im Vergleich zu anderen Energieträgern noch zu hoch.


Sonstige Besonderheiten (Staatliche Förderungen, Rahmenbedingungen, gesetzliche Auflagen u.a)


Das Stromeinspeisungsgesetz (StrEG) wurde durch das am 1. April 2000 in Kraft getretene Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) abgelöst. Betreiber von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien erhalten von dem für sie zuständigen Netzbetreiber eine gesetzlich vorgeschriebene Vergütung. Strom aus geothermischen Anlagen wird teilweise vergütet. Zinsvergünstigte Darlehen der staatlichen Ausgleichsbank tragen dazu bei, dass die Fremdkapitalbeschaffungskosten für erneuerbare Energien gesenkt werden, also auch für thermische Anlagen. Auch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) bietet zinsvergünstigte Darlehen für den Einsatz erneuerbarer Energien an. Im Zusammenhang mit der ökologischen Steuerreform konnten weitere Maßnahmen für die Nutzung erneuerbarer Energien ermöglicht werden 1).

Neben diesen direkten finanziellen Hilfen sind in der Vergangenheit weitere Maßnahmen unternommen worden, um die Startchancen erneuerbarer Energien zu verbessern wie z.B. im Steuergesetz, Baugesetzbuch und in der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure. Auch auf Länderebene und europäischer Ebene werden erneuerbare Energien unterstützt. Außerdem beteiligen sich die deutschen Strom-versorger nach eigenen Angaben an der Forschung, Entwicklung und Unterstützung von erneuerbaren Energien 1).

Zusammenfassung und Fazit

Von dem Engagement der Investoren ist die Nutzung der Kunden von Öko-Strom und -Wärme zu unterscheiden. Danach können sich Kunden für Strom und Wärme aus erneuerbarer Energien entscheiden, wenn sie bereit sind, dafür einen höheren Preis zu bezahlen. Es sind also sowohl auf der Investorenseite als auch auf der Nutzerseite umweltbewusste Verbraucher, die die Mehrkosten von den erneuerbaren Energien tragen. Momentan ist der Marktanteil an der ökologischen Energie noch sehr gering.

Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, den Anteil erneuerbarer Energien an der Energieversorgung bis zum Jahre 2010 mindestens zu verdoppeln. Ob die eingeleiteten Maßnahmen ausreichen werden, das für 2010 gesteckte Ziel der Verdoppelung erneuerbarer Energien zu erreichen, bleibt abzuwarten 1).

Handout mit Kurfassung zum Thema...

Literatur

  1. Bine Informationsdienst, Wärmepumpen, Heizen mit Umweltenergie, Verlag Solarpraxis AG
  2. Boeckh, M., Welt der Wunder, Zukunft Energie, Burgschmiet Verlag
  3. Brück, J., Neue Energiekonzepte für Haus- und Wohnungsbesitzer, Beuth Verlag GmbH
  4. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Erneuerbare Energien und Nachhaltige Entwicklung, Broschüre als Teil der Öffentlichkeitsarbeit der Bundesregierung
  5. Geitmann, S., Eneuerbare Energien & Alternative Kraftstoffe, Hydrogeit Verlag
  6. Hanus, B., Hausversorgung mit alternativen Energien, Franzis Verlag GmbH
  7. Hennicke/Fischedick, Erneuerbare Energien, Verlag C.H. Beck

Autor: Hendrik Lammers, Wahlkurs Energie 2008