Geothermie Einleitung

Hallo Leute,

für jeden Polar­lichtfan (und spätestens seit der Europa­meis­ter­schaft im Jahr 2016 auch für jeden Fußballfan) ist Island ein Begriff. Doch neben seinen Natur­spek­takeln und seinen fanati­schen Anhängern steht Island doch vor allem für eines: die Geothermie.

Aufgrund der beson­deren Lage Islands auf dem Mittel­at­lan­ti­schen Rücken und der damit verbun­denen erhöhten vulka­ni­schen Aktivität des Gebietes gelang es den Isländern im Jahr 2015, rund 96 % des eigenen Wärme- und circa 27 % des Strom­be­darfs mit Hilfe der Erdwärme zu decken.[1] In Deutschland sieht dies ganz anders aus: Im Jahr 2016 deckten die Deutschen lediglich etwa 0,025 % des Strom- und ungefähr 1 % des Wärme­be­darfs mit Hilfe der Geothermie ab.[2]
Im Anbetracht dieser verblüf­fenden Zahlen frage ich mich einer­seits, wie diese Techno­logie funktio­niert und anderer­seits, ob es auch in Deutschland möglich wäre, vermehrt Strom und Wärme damit zu erzeugen.

Energie­quellen

Blicken wir diesbe­züglich erst einmal auf die Energie­quelle an sich. Im Erdreich unseres Planeten ist eine scheinbar unendlich große Menge an Wärme­en­ergie gespei­chert. Diese stammt unter anderem noch aus dem Entste­hungs­prozess der Erde sowie aus radio­ak­tiven Zerfalls­pro­zessen. Des Weiteren trägt auch die Sonne durch ihre Einstrahlung zur Energie­spei­cherung in oberflä­chen­nahen Schichten des Erdreiches bei.

Energie­nutzung durch Geothermie

Möchte man sich diese Energie nun zu Nutze machen, gilt es, zwei verschiedene Techno­logien der Geothermie zu unter­scheiden. Nutzt man die Erdwärme der oberen 400 Meter der Erdkruste, spricht man von der „oberflä­chen­nahen Geothermie“. Alles was darunter liegt, ist der „Tiefen­geo­thermie“ zuzuordnen. Grund­sätzlich lässt sich festhalten, dass sich die oberflä­chennahe Geothermie vorwiegend für die Wärme­er­zeugung eignet, wohin­gegen mit Hilfe der Tiefen­geo­thermie Strom und Wärme erzeugt werden können.

Tiefen­geo­thermie

Widmen wir uns ans dieser Stelle also erst einmal der Tiefen­geo­thermie. Der Grund, wieso man in solche tiefge­le­genen Schichten vordringen will, ist einfach. Je tiefer man in das Erdreich eindringt, umso wärmer wird es und umso gleich­mä­ßiger ist das Tempe­ra­tur­niveau innerhalb eines Jahres. In Deutschland erhöht sich die Tempe­ratur des Erdreiches beispiels­weise um rund drei Grad Celsius pro 100 Meter Bohrtiefe. Doch wie kann man mithilfe dieser zur Verfügung stehenden Wärme­mengen Strom oder Wärme erzeugen? Ein gängiger Prozess für die Strom­erzeugung ist der sogenannte Organic Rankine Cycle (ORC). Das ORC-System lässt sich in zwei Kreis­läufe unter­eilen: den Wasser­kreislauf und den Kälte­mit­tel­kreislauf, welche nachfolgend separiert erläutert werden.

Abbildung 1: Verein­fachter Organic Rankine Cycle (ORC)

Der Wasser­kreislauf beginnt mit der Förderung von Wasser aus den Tiefen der Erde über eine entspre­chende Förder­sonde. Dabei wird das Wasser zunächst an die Erdober­fläche gepumpt und dort durch den Verdampfer geleitet. In diesem Verdampfer gibt das Wasser seine Wärme an den Kälte­mit­tel­kreis ab und strömt nachfolgend zurück ins Erdreich, wo es über eine Injek­ti­ons­sonde wieder nahe dem Ursprungsort zurück­ge­führt wird.

Innerhalb des zweiten Kreis­laufes wird stets ein sogenanntes organi­sches Kälte­mittel umgewälzt. Kälte­mittel besitzen die Eigen­schaft, dass sie bei deutlich gerin­geren Tempe­ra­tur­ni­veaus als beispiels­weise Wasser verdampfen und bei Umkehr des Prozesses auch wieder konden­sieren (verflüs­sigen). Als organisch werden die Kälte­mittel aufgrund ihrer kohlen- und wasser­stoff­hal­tigen moleku­laren Grund­be­stand­teile bezeichnet. Ethanol ist ein solches organi­sches Arbeits­mittel. Wie wir bereits erfahren haben, wird im Verdampfer die Wärme­en­ergie des Wassers über einen Wärme­tau­scher auf das Kälte­mittel übertragen. Dies hat zu Folge, dass das zuvor flüssige Kälte­mittel zu verdampfen beginnt. Der Dampf wird anschließend an eine spezielle Turbine weiter­ge­leitet, welche den Energie­gehalt des Dampfes über ihre Schaufeln in eine Rotati­ons­be­wegung umsetzt. Diese Rotati­ons­en­ergie wird mit Hilfe eines Generators in Strom umgewandelt, welcher dann vor Ort verbraucht oder in das örtliche Stromnetz einge­speist werden kann. Nachdem die Turbine durch­strömt wurde, fließt das Kälte­mittel in den Konden­sator. Dort wird überschüssige Wärme abgeführt und das dampf­förmige Kälte­mittel wird infol­ge­dessen wieder verflüssigt. Im letzten Schritt wird es durch eine Pumpe geleitet und der Kreislauf beginnt von vorne.

Nachdem wir nun eine Variante zur Strom­erzeugung mittels der Tiefen­geo­thermie kennen­ge­lernt haben, stellt sich die Frage, ob man diese Techno­logie einfach überall in Deutschland verwenden kann. In Anbetracht der dazu notwen­digen Grund­vor­aus­set­zungen des Erdreiches scheint dies nicht möglich zu sein. Im Wesent­lichen eignet sich die Tiefen­geo­thermie in drei deutschen Gebieten: dem Norddeut­schen Becken, dem Oberrhein­graben sowie dem Molas­se­becken. Dies lässt sich darauf zurück­führen, dass die dortigen unter­ir­di­schen wasser­füh­renden Schichten bereits gut erschlossen sind.

Abbildung 2: Poten­tielle Gebiete für die Tiefen­geo­thermie in Deutschland[3]

Oberflä­chennahe Geothermie

Nachdem wir nun also die Nutzung der Tiefen­geo­thermie zur Strom­erzeugung beleuchtet haben, gilt es als nächstes, die oberflä­chennahe Geothermie zu betrachten. Deren Funkti­ons­prinzip zur Wärme­er­zeugung lässt sich theore­tisch auch auf die Wärme­er­zeugung mittels Tiefen­geo­thermie übertragen. Damit‘s an dieser Stelle nicht zu lang wird, vertröste ich euch erst einmal und hoffe euch beim zweiten Teil wieder anzutreffen.

Mit freund­lichen Grüßen, euer Tim

Quellen

[1] Vgl. National Energy Authority of Iceland

[2] Vgl. Bundes­mi­nis­terium für Wirtschaft und Energie

[3] Vgl. Bundes­verband Geothermie e.V.