Lexikon

English: Geothermal energy / Español: Energía geotérmica / Português: Energia geotérmica / Français: Énergie géothermique / Italiano: Energia geotermica

Erdwärme bezeichnet die in der Erdkruste gespeicherte thermische Energie, die durch natürliche radioaktive Zerfallsprozesse sowie die Restwärme aus der Erdentstehung entsteht. Im industriellen Kontext gewinnt diese Energieform zunehmend an Bedeutung, da sie eine grundlastfähige, emissionsarme und lokal verfügbare Ressource darstellt. Die Nutzung von Erdwärme erfolgt entweder direkt zur Wärmeversorgung oder indirekt zur Stromerzeugung, wobei die technischen Anforderungen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen je nach Anwendung variieren.

Allgemeine Beschreibung

Erdwärme zählt zu den erneuerbaren Energien und zeichnet sich durch ihre kontinuierliche Verfügbarkeit aus, die unabhängig von Wetterbedingungen oder Tageszeiten ist. Die Temperatur in der Erdkruste steigt mit zunehmender Tiefe an, wobei der geothermische Gradient im globalen Durchschnitt etwa 3 Kelvin pro 100 Meter beträgt. In vulkanisch aktiven Regionen kann dieser Wert jedoch deutlich höher liegen, was die Erschließung erleichtert. Die industrielle Nutzung von Erdwärme erfordert spezifische Bohrtechniken, Wärmetauscher und oft auch Wärmepumpen, um die Energie effizient auf ein nutzbares Temperaturniveau zu bringen.

Die Gewinnung von Erdwärme erfolgt entweder durch oberflächennahe Systeme, die bis zu 400 Meter Tiefe reichen, oder durch tiefe Geothermie, die Bohrungen von mehreren Kilometern erfordert. Oberflächennahe Systeme eignen sich primär für Heiz- und Kühlzwecke, während tiefe Geothermie auch zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Die Wahl der Technologie hängt von geologischen Gegebenheiten, der benötigten Energiemenge und den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. In Deutschland sind insbesondere das Norddeutsche Becken, der Oberrheingraben und das Molassebecken als potenzielle Standorte für geothermische Projekte identifiziert worden.

Technische Grundlagen

Die Erschließung von Erdwärme erfolgt durch verschiedene technische Verfahren, die sich in hydrothermale und petrothermale Systeme unterteilen lassen. Hydrothermale Systeme nutzen natürliche Thermalwasservorkommen, die in porösen Gesteinsschichten zirkulieren. Diese Methode ist besonders effizient, da das Wasser bereits als Wärmeträger dient und keine zusätzliche Stimulation des Gesteins erforderlich ist. Petrothermale Systeme, auch als Enhanced Geothermal Systems (EGS) bezeichnet, kommen in Gebieten mit geringerer natürlicher Wasserdurchlässigkeit zum Einsatz. Hierbei wird Wasser unter hohem Druck in das Gestein injiziert, um künstliche Risse zu erzeugen, die als Wärmetauscherfläche dienen.

Die Stromerzeugung aus Erdwärme erfolgt in der Regel durch Dampfturbinen, wobei zwischen Trockendampf-, Flash- und Binärkreislauf-Kraftwerken unterschieden wird. Trockendampf-Kraftwerke nutzen direkt den aus dem Untergrund geförderten Dampf, während Flash-Kraftwerke heißes Wasser in Dampf umwandeln. Binärkreislauf-Kraftwerke eignen sich für niedrigere Temperaturen und nutzen ein sekundäres Arbeitsmedium mit niedrigem Siedepunkt, das durch die Erdwärme verdampft wird. Die Effizienz dieser Systeme hängt maßgeblich von der Temperatur des geförderten Mediums ab, wobei höhere Temperaturen eine wirtschaftlichere Stromerzeugung ermöglichen.

Normen und Standards

Die Nutzung von Erdwärme unterliegt verschiedenen nationalen und internationalen Normen, die Sicherheit, Umweltverträglichkeit und technische Standards regeln. In Deutschland sind insbesondere das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und das Bundesberggesetz (BBergG) relevant, die die Erschließung und Nutzung von Thermalwässern sowie die Bohrtechnik regeln. Für die Planung und den Betrieb geothermischer Anlagen gelten zudem die VDI-Richtlinie 4640 "Thermische Nutzung des Untergrunds" sowie die DIN EN ISO 17628 "Geotechnische Erkundung und Untersuchung". Internationale Standards wie die ISO 17824 "Geothermal power plants" definieren Anforderungen an die Auslegung und den Betrieb von Geothermie-Kraftwerken.

Abgrenzung zu ähnlichen Begriffen

Erdwärme wird häufig mit anderen Formen der Geothermie oder erneuerbaren Energien verwechselt. Während Erdwärme die in der Erdkruste gespeicherte thermische Energie bezeichnet, umfasst der Begriff Geothermie die technische Nutzung dieser Energie. Oberflächennahe Geothermie bezieht sich auf Systeme bis 400 Meter Tiefe, während tiefe Geothermie Bohrungen von mehreren Kilometern umfasst. Im Gegensatz zu Solarthermie, die Sonnenenergie nutzt, oder Biomasse, die organische Materialien verbrennt, ist Erdwärme eine grundlastfähige Energiequelle, die unabhängig von externen Faktoren verfügbar ist.

Anwendungsbereiche

• Industrielle Prozesswärme: Erdwärme kann direkt zur Bereitstellung von Prozesswärme in der Industrie genutzt werden, beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung, der Papierherstellung oder der chemischen Industrie. Die konstante Temperatur ermöglicht eine zuverlässige Versorgung, die unabhängig von saisonalen Schwankungen ist.
• Stromerzeugung: In Regionen mit hohen geothermischen Gradienten, wie Island oder Italien, wird Erdwärme zur Stromerzeugung eingesetzt. Binärkreislauf-Kraftwerke ermöglichen auch in Gebieten mit niedrigeren Temperaturen eine wirtschaftliche Nutzung.
• Gebäudeheizung und -kühlung: Oberflächennahe Geothermie wird zunehmend für die Beheizung und Kühlung von Gewerbe- und Wohngebäuden genutzt. Wärmepumpen erhöhen die Effizienz dieser Systeme, indem sie die Temperatur auf ein nutzbares Niveau anheben.
• Thermalbäder und Balneologie: In einigen Regionen wird Erdwärme direkt für therapeutische Zwecke genutzt, beispielsweise in Thermalbädern. Diese Anwendung ist jedoch eher lokal begrenzt und spielt im industriellen Kontext eine untergeordnete Rolle.

Bekannte Beispiele

• Kraftwerk Hellisheiði (Island): Eines der größten Geothermie-Kraftwerke der Welt, das sowohl Strom als auch Wärme für die Hauptstadt Reykjavík liefert. Das Kraftwerk nutzt hydrothermale Systeme und deckt einen erheblichen Teil des isländischen Energiebedarfs.
• Geothermie-Projekt Unterhaching (Deutschland): Ein Beispiel für die Nutzung tiefer Geothermie in Deutschland, bei dem Thermalwasser aus einer Tiefe von etwa 3.500 Metern gefördert wird. Das Projekt versorgt rund 20.000 Haushalte mit Wärme und erzeugt zusätzlich Strom.
• Larderello (Italien): Das erste Geothermie-Kraftwerk der Welt, das seit 1913 Strom erzeugt. Die Region ist bekannt für ihre hohen geothermischen Gradienten und dient als Vorbild für die Nutzung von Erdwärme zur Stromerzeugung.

Risiken und Herausforderungen

• Seismische Aktivitäten: Die Stimulation von Gesteinsschichten in petrothermalen Systemen kann zu induzierter Seismizität führen, wie es beispielsweise im Projekt Basel (Schweiz) der Fall war. Eine sorgfältige Planung und Überwachung ist erforderlich, um solche Risiken zu minimieren.
• Korrosion und Scaling: Thermalwässer enthalten oft hohe Konzentrationen an Mineralien und Gasen, die zu Korrosion an Anlagenkomponenten oder Ablagerungen (Scaling) führen können. Spezielle Materialien und chemische Inhibitoren sind notwendig, um die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern.
• Hohe Anfangsinvestitionen: Die Erschließung von Erdwärme erfordert erhebliche Vorabinvestitionen, insbesondere für Bohrungen und die Infrastruktur. Die Wirtschaftlichkeit hängt stark von den lokalen geologischen Bedingungen und den Energiepreisen ab.
• Umweltauswirkungen: Die Förderung von Thermalwasser kann zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels oder zur Freisetzung von Schadstoffen führen. Eine nachhaltige Bewirtschaftung der Ressource ist daher essenziell, um langfristige Schäden zu vermeiden.
• Regulatorische Hürden: Die Genehmigungsverfahren für geothermische Projekte sind oft komplex und zeitaufwendig, da sie verschiedene behördliche Auflagen erfüllen müssen. Dies kann die Umsetzung von Projekten verzögern oder erschweren.

Ähnliche Begriffe

• Abwärme: Thermische Energie, die als Nebenprodukt industrieller Prozesse entsteht und oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Im Gegensatz zu Erdwärme ist Abwärme nicht grundlastfähig und hängt von der Produktion ab.
• Solarthermie: Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung von Wärme. Im Gegensatz zu Erdwärme ist Solarthermie von Wetterbedingungen und Tageszeiten abhängig.
• Tiefengeothermie: Ein Teilbereich der Geothermie, der sich auf die Nutzung von Erdwärme in Tiefen von mehr als 400 Metern konzentriert. Der Begriff wird oft synonym mit tiefer Geothermie verwendet.

Artikel mit 'Erdwärme' im Titel

• Erdwärmepumpe: Erdwärmepumpe bezeichnet im Industrie-Kontext eine Technologie zur Nutzung von geothermischer Energie für Heizung und Kühlung. Sie entzieht dem Boden oder Grundwasser Wärme und wandelt sie mithilfe eines . . .

Zusammenfassung

Erdwärme stellt eine vielseitige und grundlastfähige Energiequelle dar, die im industriellen Kontext sowohl zur Wärmeversorgung als auch zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Die technischen Herausforderungen, wie die Erschließung tiefer Gesteinsschichten oder die Handhabung korrosiver Thermalwässer, erfordern spezialisierte Lösungen und hohe Anfangsinvestitionen. Dennoch bietet Erdwärme erhebliche Vorteile, insbesondere in Regionen mit günstigen geologischen Bedingungen, und trägt zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen bei. Die Weiterentwicklung von Bohrtechniken und Wärmetauschersystemen wird die Wirtschaftlichkeit und Verbreitung dieser Technologie in Zukunft weiter verbessern.

--