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.