Geothermie

ausgebrochener Geysirzum Vergrößern anklicken
Die Geothermie nutzt die Wärme aus der Erde
Quelle: kichatof / Fotolia.com

Geothermie bezeichnet die in der Erdkruste gespeicherte Wärmeenergie und die ingenieurtechnische Nutzung. Geothermie kann zum Heizen, Kühlen und zur Stromerzeugung eingesetzt werden. In Deutschland steigt die Temperatur in der Erdkruste durchschnittlich um 3 Kelvin pro 100 Meter an. Dementsprechend erschließen oberflächennahe und tiefe Geothermie Bereiche unterschiedliche Temperaturniveaus.

Inhaltsverzeichnis

 

Oberflächennahe Geothermie

Als oberflächennahe Geothermie gilt die Nutzung der Erdwärme aus bis zu 400 Meter Tiefe. Wärme aus diesem Tiefenstockwerk muss aufgrund der noch relativ geringen Temperatur auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben werden. Um beispielsweise Gebäude mit oberflächennaher Geothermie heizen zu können, sind daher Wärmepumpen erforderlich. Oberflächennahe Geothermie aus dem Erdreich zählt, neben der Umweltwärme aus der Luft oder aus Oberflächengewässern, zur Umgebungswärme.

 

Tiefe Geothermie

Die tiefe Geothermie stößt gegenüber der oberflächennahen Nutzung von Erdwärme in andere Dimensionen vor. Es werden nicht nur Wärmereservoire in größeren Tiefen erschlossen und dabei Bohrlöcher von bis zu fünf Kilometer Tiefe gebohrt. Auch die damit betriebenen Anlagen sind wesentlich größer und leistungsfähiger.

Mit Erdwärme aus Tiefengeothermie werden Wärmenetze gespeist und ganze Stadtviertel mit Heizwärme versorgt. Ist das Temperaturniveau hoch genug, kann mit einem Geothermiekraftwerk auch Strom erzeugt werden. Geothermie ist nicht von Wettereinflüssen abhängig und kann das ganze Jahr über annähernd ununterbrochen umweltfreundlichen Strom liefern. In einer vom Bundesumweltministerium geförderten Demonstrationsanlage in Unterhaching bei München wurden die Nutzungsformen Wärmebereitstellung und Stromerzeugung miteinander kombiniert. Es war die erste Anlage dieser Art im Süddeutschen Molassebecken. Inzwischen wird über das im Laufe der Zeit weiter ausgebaute Fernwärmenetz so viel Wärme direkt genutzt, dass die Stromerzeugungsanlage außer Betrieb genommen wurde. Gleichzeitig wurde mit der Nachbargemeinde Grünwald deutschlandweit erstmalig ein Wärmeverbund gegründet. Über eine Verbindungsleitung ist es durch diesen wechselseitigen Austausch möglich, die Anlagen besser auszulasten und den Anteil der nicht-erneuerbaren Energien in beiden Gemeinden weiter zu verringern.

Bei der Stromerzeugung können in einem Geothermiekraftwerk verschiedene Arbeitsmittel eingesetzt werden. Dabei ist auf deren Klimawirksamkeit zu achten und Wert auf eine effiziente und sichere Anlagentechnik zu legen. Hierzu wurden im Auftrag des Umweltbundesamtes Untersuchungen zum Einsatz von fluorierten Arbeitsmitteln durchgeführt und Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz analysiert.

Eine Auswertung der Umwelteffekte bei der Stromerzeugung mit tiefer Geothermie hat ergeben, dass diese gegenwärtig und zukünftig einen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leisten kann. Die Umwelteffekte sind lokal begrenzt und technisch beherrschbar. Strom- und Wärmeerzeugung aus Geothermie stellt gemeinsam mit anderen erneuerbaren Energien eine umwelt- und klimafreundliche Alternative zur fossilen Energie dar, die schon heute Treibhausgasemissionen vermeidet.

In der Studie "Energieziel 2050" des Umweltbundesamtes im Jahr 2010 zu der Realisierbarkeit einer rein erneuerbaren Energieversorgung wurde für die Stromerzeugung aus Geothermie ein beachtliches Potenzial ermittelt. Die weiterentwickelten Szenarien der RESCUE-Studie aus dem Jahr 2019 sehen Geothermie als eine wesentliche Quelle für die zukünftige treibhausgasneutrale Wärmeversorgung. Die Wärme aus tiefer Geothermie kann im Rahmen des Energiesystemumbaus einen Beitrag zur Dekarbonisierung bestehender Fernwärmenetze oder zum Ausbau der Fernwärme liefern und so auf kommunaler Ebene zum ⁠Klimaschutz⁠ beitragen. Der Leitfaden „Ein neuer Weg zu effizienten Wärmenetzen mit Niedertemperaturwärmeströmen“ zeigt Kommunen, wie tiefe Geothermie oder andere emissionsfreie Wärmequellen unter Berücksichtigung lokaler Gegebenheiten in der Nah- und Fernwärme genutzt werden können. Der Leitfaden wurde im Rahmen eines Forschungsvorhabens entwickelt, das am Beispiel der tiefen Geothermie aufzeigt, welche Vorteile die direkte Nutzung von Niedertemperaturwärmequellen bietet. Zudem wird dabei auf das Nutzungspotential der tiefen Geothermie in Deutschland eingegangen und die exergetische Effizienz mit der von anderen Wärmeerzeugungstechniken verglichen. Die Potenzialanalyse wurde bei der Berichterstattung an die EU zur Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED-Bericht) und zur Energieeffizienz-Richtlinie (EED-Bericht) aufgegriffen. Fernwärmenetze und Wärmespeicher ermöglichen es zudem, die Erzeugungssektoren Strom und Wärme miteinander zu verbinden und die Flexibilitätsoptionen der Strom- und Wärmeerzeugung aus der tiefen Geothermie systemdienlich zu nutzen. 

Technisch gesehen bestimmt neben der Temperatur die Durchlässigkeit des Gesteins im Förderhorizont die erfolgreiche geothermische Nutzung. In den meisten Fällen ist von vornherein ausreichend Thermalwasser sowie eine gute Durchlässigkeit vorhanden, mithilfe von hydraulischen und chemischen Stimulationsmaßnahmen könnte diese jedoch auch erhöht werden. Mögliche Umweltauswirkungen, die dabei befürchtet werden – in der Hauptsache sind dies induzierte Seismizität und mögliche Beeinträchtigungen der zur Trinkwasserversorgung dienenden Grundwasserleiter und Oberflächengewässer – waren Gegenstand eines Gutachtens. Auch hier zeigt sich, dass bei Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben und Nutzung geeigneter Frühwarnsysteme keine unbeherrschbaren Risiken für die Umwelt bestehen.

Das geothermische Potenzial und auch die Notwendigkeit, nachhaltige Entwicklungsprozesse zu fördern, richtet sich nicht nach Landesgrenzen. Im Rahmen eines Beratungshilfeprojektes wurden daher die Nutzungsmöglichkeiten für „Geothermische Strom- und Wärmeerzeugung in Ungarn“ untersucht.

Schema eines geothermischen Kraftwerks mit einer sogenannten Dublette
Schema eines geothermischen Kraftwerks

Schema eines geothermischen Kraftwerks mit einer sogenannten Dublette

Quelle: Blöcher/Frick GFZ
 

Geothermie im Schulunterricht

Wie man Erdwärme zum Heizen, Kühlen und zur Stromerzeugung erschließt, können Schülerinnen und Schüler von der Schülergruppe aus einer Broschüre für die Jahrgangsstufen 7 bis 10 erfahren. Für ein Referat machen sie sich schrittweise mit den zahlreichen Möglichkeiten der Energie aus der Tiefe vertraut. Ergänzende Materialien stehen für Lehrende auf Anfrage zur Verfügung.