Wie funktioniert Geothermie

Geothermie – geologische Prozesse und Methoden. Geothermie ist eine Begrifflichkeit, die zweierlei Bedeutungen umfasst. In erster Linie ist Geothermie ein Synonym für Erdwärme, die seit der Erdenstehungszeit vorhanden ist und kontinuierlich durch radioaktive Zerfallsprozesse im schmelzflüssigen Erdkern entsteht. Ebenso ist Geothermie die ingenieurwissenschaftliche Exploration und Nutzung der in der Erdkruste gespeicherten thermischen Energie. Geothermie gilt nach humanen Maßstäben als eine unerschöpfliche und regenerative Energieressource. Die chemischen und radioaktiven Vorgänge erzeugen täglich enorme Energiemengen, die den weltweiten Energiebedarf um circa das 2,5-Fache übersteigen.

Entstehung der Geothermie

Die Erdwärme entsteht laut Schätzungen zu 60% durch radioaktive Zerfallsprozesse der Elemente Thorium-232, Kalium-40 und Uran-238 im Erdkern. Dort werden Temperaturen von 4600°C-4700°C präsumiert. Approximativ 99% der Erde sind heißer als 1000°C und von dem restlichen Prozentanteil von 1% übersteigen approximativ 90% die 100°C-Marke. An Hand von seismologischen Untersuchungen ist das Schalen-Modell der Erde hervorgegangen. Die Erde ist demnach in vier Hauptschichten einzuteilen. Der innere Erdkern bildet das Zentrum aus einer festen Eisen-Nickel-Legierung. Umgeben wird dieser von einem äußeren Kern, der in flüssiger Form vorliegt und nach wissenschaftlichen Auffassungen das Erd-Magnetfeld erzeugt. Der Erdmantel umhüllt den Erdkern mit unterschiedlicher Materie mit unterschiedlichen Festigkeiten. Hier finden starke Strömungen der heißen Gesteinsschichten statt. Dabei steigt heiße Materie auf und fällt wieder durch Abkühlen. Der kontinuierliche Bewegungsablauf äußert sich in der Platttentektonik.

Der Wärmetransport vom Erdinneren erfolgt auf zweierlei Weise:

  • Konvektion: Hierbei sind die Druck-, Temperatur-, Konzentrations- und Dichtedifferenz die treibenden Kräfte für die Weitergabe von thermischer Energie in Gasen oder Flüssigkeiten. Im Falle der Geothermie erfolgt die Leitung durch aufsteigende Thermalgewässer oder Gase wie Methan oder Schwefelwasserstoff.
  • Konduktion: Dieser Prozess beschreibt die Zirkulation von Wärme durch feste Materie oder zähflüssige Fluide auf Grund vom Temperaturgefälle. In Folge dessen wandert die Wärme aus den heißeren in die kühleren Schichten und folgt somit den Gesetzmäßigkeiten des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Dieser besagt, dass der Austausch an thermischer Energie nur vom wärmeren ins kältere System erfolgen kann. Die verbliebenen 40% der thermischen Energie sind das Resultat aus der Akkretion von Materie. Akkretion ist ein Terminus aus der Astronomie, der die verstärkte Ansammlung der Materie auf Grund von Gravitationskräften und Adhäsionskräften zu einem Objekt deskribiert. Im Verlaufe dieses Prozesses, während dem eine Ansammlung von Gesteins- Staub und Metallteile sich vollzog, war eine Erhöhung des Druckes und damit ein Temperaturanstieg zu verzeichnen.

Methoden zur Nutzung der Geothermie

Es wird zwischen der oberflächennahen und der tiefen Geothermie klassifiziert. Die oberflächennahe Nutzung der Geothermie kann ausschließlich direkt zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden durch Wärmeheizpumpen, Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Energiepfähle oder Betonbauteile erfolgen. Dabei wird die Wärme aus den obersten Erdschichten bis 400m oder des Grundwassers genutzt. Die Wärmeströmungen des Milieus werden durch die jeweilige Anlage aufgenommen und an das Heizungssystem des Gebäudes abgegeben. Die gemessene Bodentemperatur beträgt im Durchschnitt, independent von Jahreszeit, in einer Tiefe von 5-10m konstant 8-10°C. Gemäß der Definition verwendet man den Begriff der tiefen Geothermie hingegen bei einer Tiefe ab 400m. Als Erstes sind die hydrothermalen Systeme mit niedriger Enthalpie zu nennen. Bei geringem Wärmeinhalt des Fluids werden Wärmetauscher oder Wärmepumpen eingesetzt, um Nah-und Fernwärmenetzt zu speisen. Zur Stromgewinnung eigenen sich hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie, denn hier kann die Wärmeenergie der heißen Gewässer zum direkten Antreiben von Turbinen benutzt werden. Allerdings ist auf Grund der geologischen Aspekte der Einsatz dieses Systems nur in bestimmten Gebieten möglich, die unter der Erdoberfläche heiße Wasserquellen über 100°C aufweisen. Des Weiteren kann Geothermie in Form von petrothermalem System Anwendung finden, wo Tiefenbohrungen in den Untergrund eindringen und dort die Wärmeenergie des Gesteins durch Zirkulation eines Fluids oder heißen Wassers aufnehmen.

Es gibt dabei drei relevante Systeme, das Hot-Dry-Rock-Verfahren, die Tiefensonden und anschließend die Energiegewinnung aus Bergwerken, Kavernen und Tunneln. Das Hot-Dry-Rock-Verfahren dient in erster Linie zur Stromerzeugung. Das Gestein fungiert als Wärmetauscher und Wasser ist das Medium, die die Wärmeenergie auf die Oberfläche befördert. Bei den Tiefensonden zirkuliert ein Fluid in einem geschlossenen Kreislauf und transportiert die aufgenommene thermische Energie nach oben. Ein besonderes und selten angewandtes Verfahren ist der Kalina-Prozess. Hierbei wird ein Ammoniak-Wassergemisch eingesetzt, das schon bei Temperaturen um 90°C siedet und bei geologisch kälteren Gebieten zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Ein beispielhaftes Kraftwerk steht in Unterhachingen, welches Wärme aus einer Teufe von circa 3580m in der zweiten Bohrung nach oben befördert. Abschließend ist die Möglichkeit zu nennen, aus stillgelegten Bergwerken, tiefen Tunneln sowie Kavernen Wärme zu beziehen. Das dort vorhandene Formationswasser kann hohe Temperaturen annehmen und der kostspielige Aufwand von Tiefenbohrungen kann dadurch präveniert werden.

Vorbereitungsmaßnahmen zur Installation von Geothermie-Anlagen

Bevor jedoch ein Projekt realisiert und ein Verfahren selektiert werden kann, müssen viele Aspekte berücksichtigt und analysiert werden. Es ist von entscheidender Relevanz, sich zuerst über die geologischen Gegebenheiten bei der Projektplanung in Kenntnis zu setzen. Die einzelnen Regionen können sich stark in vielen Punkten differenzieren. Aus diesem Grunde wird eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Vor allem fungieren an dieser Stelle seismologische Untersuchungen als eine Richtschnur. Dabei werden künstlich erzeugte Schwingungen bei ihrem Weg durch die Erdschichten nach Störungen oder Brechungen observiert.

Eine andere Alternative bietet der Rückgriff auf die in der Umgebung liegenden Bohrlöcher, um Kenntnis über die Struktur und Temperatur der dortigen Geologie zu erlangen. Wenn Thermalquellen erschlossen werden sollen, erweisen sich die magneto-tellurische Untersuchungen als besonders hilfreich. Trotzdessen kann keine definitive Aussage über Temperatur, Porosität sowie Fließfähigkeit verlautet werden. Eine Erkundungsbohrungen bringt eindeutige Gewissheit über die Gegebenheiten im Untergrund, die jedoch einen beachtlichen finanziellen Aufwand darstellen. Die Lokalität der Erkundungsbohrungen wird so gewählt, dass diese für das eigentliche geothermische Projekt später genutzt werden kann.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.