Geothermie/Erdwärme

Wussten Sie, dass die Erdkruste theoretisch genug Energie speichert, um den weltweiten Energiebedarf für die nächsten 100.000 Jahre zu decken? In Zeiten zunehmender Klimakrisen und der Notwendigkeit einer nachhaltigen Energiezukunft rückt die Geothermie, auch bekannt als Erdwärme, immer mehr in den Fokus. Diese innovative Form der Energiegewinnung nutzt die im Erdinneren gespeicherte Wärme, die kontinuierlich und unerschöpflich ist.

Die Geothermie gilt als nachhaltige und regenerative Energiequelle, die keine CO2-Emissionen verursacht und somit eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen darstellt. Anhand von verschiedenen Techniken wird Wärme aus verschiedenen Erdschichten gefördert und zugänglich gemacht, wobei sich die Nutzung oberflächennaher und tiefer Geothermie deutlich unterscheidet. Angesichts der globalen Herausforderungen durch den Klimawandel wird die Bedeutung der Geothermie zunehmend wichtiger, und Bayern, Sachsen und viele andere Bundesländer spielen dabei eine zentrale Rolle.

Einführung in die Geothermie

Geothermie bezieht sich auf die Wärme der Erde, die aus natürlichen inneren Energiequellen entsteht. Diese erwärmt sich durch verschiedene Prozesse, wie den radioaktiven Zerfall und die Wärme der Erdgeschichte. Geothermische Energie spielt eine entscheidende Rolle in der Wärmewende und bietet das Potenzial, über Stadtgrenzen hinweg flächendeckend erneuerbare Wärme bereitzustellen. Historisch gesehen nutzen Menschen geothermalen Wärmequellen, einschließlich heißer Quellen, seit Jahrhunderten, was die Vielseitigkeit und Anwendbarkeit dieser Energieform verdeutlicht.

In Deutschland sind die Installationen von Wärmepumpen zur Nutzung von Erdwärme besonders populär geworden, besonders in Neubauten. Die Oberflächennahe Geothermie nutzt die Erdwärme aus Tiefen von weniger als 400 Metern, wobei typischerweise bis etwa 100 Meter gegraben wird. Die Abstände für die Installation von Erdwärmesonden betragen mindestens 2 Meter zum Haus und 3-5 Meter zur Grundstücksgrenze, sowie 6-10 Meter zwischen den Sonden.

Die Vorlauftemperatur für Neubauten sollte idealerweise bei etwa 35 Grad Celsius liegen; in Bestandsbauten kann sie bis zu 50 Grad Celsius betragen. Höhere Vorlauftemperaturen haben jedoch einen höheren Strombedarf für die Wärmepumpe zur Folge. Flächenheizungen, wie Wand-, Decken- und Fußbodenheizungen, erweisen sich als besonders effizient in Kombination mit Wärmepumpen.

Die Genehmigung für Erdwärmesonden, besonders bei Tiefenüber 100 Metern, erfordert eine spezielle Genehmigung durch die Bergbehörde. Obwohl Bohrunternehmen Unterstützung bieten, obliegt die Verantwortung für die Beantragung letztlich dem Bauherrn. Eine qualifizierte Fachberatung ist unerlässlich für die richtige Planung und Dimensionierung der Wärmepumpen-Anlage.

Das Potenzial der Geothermie ist enorm, da durch Tiefenbohrungen Zugang zu heißen Grundwasservorkommen geschaffen wird. Hierbei können Temperaturen von über 40 Grad Celsius genutzt werden, um sowohl Wärme als auch Strom zu erzeugen. Diese erneuerbaren Energien haben das Potenzial, den heutigen Weltenergiebedarf über Millionen Jahre hinweg zu decken.

Was ist Erdwärme?

Erdwärme bezeichnet die thermische Energie, die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeichert ist. Diese Energie kann aus der Erdinnenschicht stammen oder durch äußere Einflüsse, wie Niederschlag, beeinflusst werden. Als eine der wichtigen Formen der erneuerbaren Energie gehört die Erdwärme zu den nachhaltigsten Energiequellen, da sie konstant verfügbar ist und nicht von Wetterbedingungen abhängt.

Die oberflächennahe Geothermie nutzt Erdwärme in Tiefen von bis zu 400 Metern, wobei die Temperaturen aufgrund jahreszeitlicher Einflüsse nahezu konstant bleiben. Tiefere Geothermie wird ab einer Tiefe von 400 Metern relevant, wo Hydrothermale Geothermie Temperaturen von 50 bis 160 Grad Celsius erreicht, meist in Tiefen von 800 bis 3.500 Metern.

Eine effektive Nutzung der Erdwärme erfolgt durch Erdwärmeübertrager, welche die thermische Energie sowohl für Heiz- als auch Kühlprozesse und zur Stromerzeugung verwenden. Geothermische Heizsysteme bieten zahlreiche Vorteile, wie die Eliminierung von Brand- und Explosionsrisiken, die bei fossilen Brennstoffen auftreten können. Zudem ermöglicht die ständige Wärmeversorgung aus dem Erdreich eine Unabhängigkeit von steigenden Strompreisen.

Erdwärmesonden, die typischerweise in Tiefen zwischen 10 und 100 Metern installiert werden, tragen zur effizienten Nutzung der thermischen Energie bei. Diese hervorragenden Eigenschaften machen Erdwärme zu einer attraktiven Option im Bereich der erneuerbaren Energien und bieten ein hohes Potenzial zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes.

Geothermische Energie und ihre Bedeutung

Geothermische Energie spielt eine entscheidende Rolle in der modernen Energieversorgung. Sie bietet eine umweltfreundliche und ressourcenschonende Alternative zu fossilen Brennstoffen. Diese Energieform kann effizient zur Reduktion von Treibhausgasemissionen beitragen, indem sie als stabile und grundlastfähige Energiequelle fungiert. Geothermische Energie stammt zu etwa 30 % aus der Gravitationswärme, die seit der Entstehung der Erde vor ca. 4,5 Milliarden Jahren generiert wird. Der größere Anteil von ca. 70 % ist das Ergebnis des radioaktiven Zerfalls von Uran-, Thorium- und Kaliumisotopen in der Erdkruste.

Oberflächennahe Geothermie bezieht sich auf die Nutzung der Erdwärme aus bis zu 400 Metern Tiefe. Für diese Art der Nutzung sind Wärmepumpen erforderlich, um die Temperaturen auf ein nutzbares Niveau zu heben. Im Gegensatz dazu umfasst tiefe Geothermie Bohrlöcher von bis zu fünf Kilometern Tiefe und hat das Potenzial, ganze Stadtviertel mit Wärme zu versorgen. Wissenschaftliche Studien und Untersuchungen zeigen, dass die Geothermie als wesentliche Quelle für die treibhausgasneutrale Wärmeversorgung betrachtet wird.

Die technische Machbarkeit und der Erfolg der geothermischen Nutzung hängen von Faktoren wie der Temperatur und der Durchlässigkeit des Gesteins ab. In spezifischen Gebieten Deutschlands, wie dem Oberrheingraben, steigt die Temperatur um 5 K bis über 10 K pro 100 Meter, was die Effizienz der geothermischen Nutzung erhöht.

Umweltschutz spielt eine zentrale Rolle in der Diskussion um geothermische Energie. Potenzielle Umweltauswirkungen, insbesondere induzierte Seismizität, wurden untersucht und als beherrschbar erachtet, sofern gesetzliche Vorgaben eingehalten werden. Die Studie „Energieziel 2050“ des Umweltbundesamtes ermittelte ein beachtliches Potenzial für die Stromerzeugung aus Geothermie, während der Leitfaden zu effizienten Wärmenetzen mit Niedertemperaturwärmeströmen das Potenzial für die direkte Nutzung der tiefen Geothermie aufzeigt.

Oberflächennahe Geothermie

Die oberflächennahe Geothermie nutzt Erdwärme aus Erdschichten bis zu 400 Metern Tiefe. Diese Technik spielt eine zentrale Rolle bei der Heizungsversorgung und Kühlung von Gebäuden. In der Regel können Temperaturen bis zu 25 °C aus diesen Erdschichten gewonnen werden, was sie besonders effizient macht. Aufgrund der stabilen Temperaturen im Jahresverlauf eignet sich die oberflächennahe Geothermie hervorragend für private und öffentliche Anwendungen.

Wärmepumpen sind das Schlüsselgerät, um die in den Erdschichten gespeicherte Wärme nutzbar zu machen. Sie heben die niedrigeren Temperaturen auf ein zu verwendendes Heizniveau an. Typischerweise werden zwischen ein bis zwei Bohrungen benötigt, um ein Einfamilienhaus ausreichend zu beheizen. Die Installation von Erdwärmesonden erfordert eine Tiefe von etwa 50 bis 100 Metern, während die Erdwärmekollektoren horizontal bei einer Tiefe von 80 bis 160 Zentimetern verlegt werden.

Aktuell sind deutschlandweit über 470.000 Anlagen im Einsatz, was die Popularität der oberflächennahen Geothermie unterstreicht. Jedes Jahr werden rund 31.000 neue Systeme installiert. Diese Technologie ist nicht nur umweltfreundlich, sondern bietet auch eine ökonomische Lösung zur Deckung des Wärmebedarfs von Haushalten und Unternehmen.

Tiefe Geothermie

Bei der tiefen Geothermie wird Wärme aus Erdschichten in Tiefen von über 400 Metern genutzt. Diese Form der Geothermie erfordert spezialisierte Tiefenbohrungen, die den Zugang zu ergiebigen Wasser- oder Dampflagerstätten ermöglichen. Ihr Potenzial ist signifikant, denn theoretisch könnte Deutschland für 10.000 Jahre mit Wärme aus einer Tiefe von drei bis sieben Kilometern versorgt werden.

Besonders an Orten mit vulkanischer Aktivität, wie in Island oder Japan, findet man hochenthalpische Lagerstätten. Diese Lagerstätten erreichen Temperaturen zwischen 150 und 300 Grad Celsius, was entscheidend für die Effizienz des Energiemanagements und die Möglichkeiten der Stromerzeugung ist. Die hydrothermale Geothermie in Deutschland weist eine beträchtliche Anzahl an Reservoire in Tiefen über 400 m auf, auch wenn deren technisches Potenzial unter 10 % bleibt.

Die Nutzung dieser tiefen Geothermie erfolgt häufig mit Hilfe von Wärmepumpen, um die Erdwärme effektiv für die Beheizung von Gebäuden einzusetzen. Bei Wärmepumpen aus Erdwärme zeigen sich bessere Jahresarbeitszahlen (JAZ) im Vergleich zu Luftwärmepumpen. Der Einsatz von Flächenkollektoren ergänzt diese Technologie, wobei die Erdwärme in Tiefen von ein bis zwei Metern gesammelt wird. Diese Vorgehensweise schafft ein Netzwerk von geothermischen Systemen, das von oberflächennahe Geothermie bis hin zu Tiefengeothermie reicht.

In München plant man eine Umstellung der Fernwärmeversorgung auf 100 % erneuerbare Energien bis 2040, wobei tiefengeothermische Energie eine zentrale Rolle spielt. Ein konkretes Beispiel ist die Bohrung in Prenzlau, die auf etwa 2.800 m vertieft wurde. Hierbei werden seit 1994 rund 300 kW an thermischer Leistung in das städtische Fernwärmenetz eingespeist.

Geothermie/Erdwärme: Techniken der Wärmenutzung

Die Nutzung von Erdwärme erfordert verschiedene innovative Techniken, die eine effiziente Wärmenutzung ermöglichen. Erdwärmekollektoren und Wärmepumpen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Diese Technologien sind darauf ausgelegt, die im Erdreich gespeicherte Wärme zu erschließen und für Heiz- und Kühlzwecke nutzbar zu machen.

Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren sind horizontale Rohre, die in den Erdreich verlegt werden, um Wärme aus den oberen Schichten abzuleiten. Die Installation dieser Kollektoren erfordert Raum und geeignete Bedingungen im Boden, ermöglicht jedoch eine direkte und effiziente Wärmeaufnahme. Durch die Nutzung von Erdreich mit konstanten Temperaturen über das Jahr hinweg können diese Systeme die Wärme für Heizzwecke optimal nutzen.

Wärmepumpen

Wärmepumpen sind unerlässlich, um die aus den Erdwärmekollektoren gewonnene Wärme auf ein nutzbares Niveau zu bringen. Diese Geräte arbeiten, indem sie die im Erdboden gespeicherte Wärme extrahieren und sie auf das erforderliche Temperaturniveau anheben. Dabei sind Wärmepumpen äußerst vielseitig und können sowohl zur Heiz- als auch zur Kühltechnik eingesetzt werden. Ihre Effizienz wird häufig durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) angegeben, die das Verhältnis von gewonnener Wärme zu aufgebrachter elektrischer Energie über das Jahr beschreibt.

Der Prozess der Geothermiebohrung

Die Geothermiebohrung stellt einen anspruchsvollen Prozess dar, bei dem Bohrlöcher in Tiefen zwischen 400 und 4.500 Metern in die Erde geschaffen werden. Diese Bohrungen sind entscheidend, um Zugang zu den wertvollen geothermischen Ressourcen zu erhalten, die für geothermische Anlagen benötigt werden. Die Auswahl des geeigneten Bohrorts ist der erste Schritt in diesem komplexen Verfahren.

Im Anschluss erfolgt die Durchführung der Bohrarbeiten, welche durch verschiedene Bohrverfahren realisiert werden. In Deutschland wird besonders auf Niederenthalpie-Lagerstätten fokussiert, die Temperaturen unter 150° Celsius aufweisen. Die hydrothermalen Vorkommen in Deutschland konzentrieren sich auf die Gebiete Molassebecken, Oberrheingraben und Norddeutsches Becken. Die Technologie, die für diese Prozesse verwendet wird, muss robust und innovativ gestaltet sein, um den verschiedenen Herausforderungen, wie harten Gesteinstypen, gerecht zu werden.

Bei der hydraulischen Stimulationsverfahren wird das Gestein aufbereitet, was den Fluss des heißen Wassers verbessert. Diese Verfahren sind besonders wichtig, um die Effizienz der Geothermiebohrung zu maximieren. Zudem hat sich gezeigt, dass der Einsatz von hochmodernen Technologien wie Hochleistungslasern das Bohrverfahren revolutionieren kann. Diese Technologien führen zu einer schnellen Porosität des Gesteins und damit zu einer Beschleunigung des Bohrprozesses mit einer Verringerung des Bohrverschleißes.

Ein wichtiger Aspekt ist die Installation von Förderrohren für Wasser oder Dampf, gefolgt von der Reinjektion rückgeführter Flüssigkeit. Diese praktikablen Schritte gewährleisten die nachhaltige Nutzung der geothermischen Anlagen und tragen gleichzeitig zur Energieeffizienz bei. Insgesamt zeigt sich, dass die Geothermiebohrung ein essentieller Bestandteil einer umweltfreundlichen Energiegewinnung darstellt und ein nachhaltiges Entwicklungspotenzial aufweist.

Anwendungen von Geothermie

Die Geothermie eröffnet zahlreiche Möglichkeiten zur Nutzung der Erdwärme, die sowohl umweltfreundlich als auch nachhaltig sind. Geothermieheizung stellt eine bedeutende Anwendung dar, die vor allem zur Beheizung von Wohn- und Geschäftsräumen eingesetzt wird. Durch innovative Technologien wie Wärmepumpen kann eine erhebliche Menge an Wärmeenergie aus der Erde gewonnen werden, wodurch der Energiebedarf effizient gedeckt wird.

Geothermieheizung

Bei der Geothermieheizung wird die konstante Bodentemperatur zur Wärmeerzeugung genutzt. Bereits in einer Tiefe von 50 bis 100 Metern herrscht eine durchschnittliche Temperatur von etwa 12 Grad Celsius, die das ganze Jahr über stabil bleibt. Mithilfe von Wärmepumpen können diese Temperaturen für Heizzwecke angehoben werden. Etwa 75 % der benötigten Wärme stammt kostenlos aus der Umwelt. Diese nachhaltige Methode reduziert den CO₂-Ausstoß signifikant und bietet eine klimaneutrale Heizalternative im Vergleich zu fossilen Brennstoffen. Das Verhältnis der benötigten Antriebsenergie zur erzeugten Wärme beträgt idealerweise 1 : 4, was die Effizienz der Geothermieheizung weiter unterstreicht.

Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken

Ein weiteres faszinierendes Anwendungsgebiet ist die Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken. Diese Einrichtungen wandeln die geothermische Energie in elektrische Energie um. In Regionen mit heißen, geschmolzenen Gesteinen wird die Nutzung besonders effektiv, da fast 99 % der Erde heißer als 1.000 °C sind. In Bruchsal beispielsweise wird bei einer Bohrtiefe von 2.500 Metern eine elektrische Leistung von 0,5 MW produziert. In Soultz-sous-Forêts, wo die Bohrtiefe 5.000 Meter erreicht, beträgt die Produktion bereits 1,5 MW. Die Verwendung von geothermischen Ressourcenschätzen kann somit nachhaltige und CO₂-freie Energieerzeugung gewährleisten und große Städte mit sauberer Energie versorgen.

Vorteile der Geothermienutzung

Die Vorteile der Geothermienutzung sind vielfältig und bemerkenswert. Diese Energiequelle gilt als umweltfreundlich, da sie nahezu keine CO2-Emissionen produziert. Dadurch trägt sie aktiv zum Klimaschutz bei und unterstützt weltweit die Bemühungen zur Reduzierung fossiler Brennstoffe.

Erdwärme hat ein Potenzial zur Energiegewinnung, das voraussichtlich noch mehrere Milliarden Jahre verfügbar sein wird. Dies garantiert eine langfristige Versorgung mit nachhaltiger Energie, was in Zeiten begrenzter fossiler Ressourcen von herausragender Bedeutung ist. Zudem ist die Geothermienutzung unabhängig von Wetterbedingungen. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Energieproduktion, die nicht von saisonalen Schwankungen beeinflusst wird.

Die Nutzung von Erdwärme fördert die dezentrale Energieversorgung. Kleinere Geothermieanlagen können lokal betrieben werden und reduzieren so das Risiko von Energieengpässen. Bei der Anschaffung von Geothermieanlagen unterstützen verschiedene finanzielle Förderungen die Investitionen, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Systeme steigt.

In Deutschland macht Geothermie bisher nur einen sehr kleinen Anteil an der Energieerzeugung aus. Der Betrieb von geothermischen Anlagen hat jedoch die Chance, die heimische Energieproduktion zu diversifizieren. Über viele Jahre hinweg hat Island erfolgreich seine geothermischen Ressourcen für Heizung und Stromerzeugung genutzt. Ihre positiven Erfahrungen könnten als Vorbild für andere Länder dienen.

Herausforderungen und Risiken

Geothermische Projekte bieten zahlreiche Vorteile, sind aber nicht ohne Herausforderungen und Risiken. Ein zentrales Problem stellt die potenzielle Beeinträchtigung des Grundwassers dar. Dies kann insbesondere bei der tiefen Geothermie zu schwerwiegenden Umweltauswirkungen führen. Induzierte seismische Aktivitäten, die durch die Veränderung von unterirdischen Druckverhältnissen entstehen, sind ebenfalls ein bedeutendes Risiko, das in der Planung und Ausführung geothermischer Projekte berücksichtigt werden muss.

Ein fundiertes Verständnis der geologischen Bedingungen am Bohrort ist entscheidend. In Graben-Neudorf hat eine Bohrung bereits eine Tiefe von 3000 Metern erreicht, wobei Temperaturen von 150 Grad Celsius vorherrschen. Der geplante Zielpunkt liegt bei etwa 3700 Metern. Solche extremen Bedingungen erfordern sorgfältige Planung und Überwachung, um mögliche unerwünschte Effekte zu minimieren.

Die Bundesregierung sieht die Notwendigkeit, strenge Umweltauflagen und Monitoring-Maßnahmen einzuführen, um sicherzustellen, dass die Umweltauswirkungen der geothermischen Projekte im Rahmen bleiben. Im Moment stammen nur 16,5 Prozent der Wärmeenergie in Deutschland aus erneuerbaren Quellen. Um diesen Anteil zu erhöhen und bis 2040 ein Viertel des Wärmebedarfs durch Tiefengeothermie zu decken, ist ein verantwortungsbewusster Umgang mit den Risiken unerlässlich.

Die Kosten für eine Tiefenbohrung liegen zwischen 10 und 12 Millionen Euro, was zeigt, dass wirtschaftliche Aspekte ebenfalls beachtet werden müssen. Die Bohrungen dauern in der Regel drei bis sechs Monate, in denen laufend die Sicherheit und die Umweltauswirkungen überwacht werden müssen. Nur durch konsequente Maßnahmen können die Herausforderungen, die mit geothermischen Projekten verbunden sind, bewältigt werden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Geothermie eine kosteneffiziente und nachhaltige Energiequelle darstellt, die sowohl zur Heizungsversorgung als auch zur Stromerzeugung erhebliche Potenziale bietet. Mit einem enormen Wärmevorrat, der sich unter unseren Füßen befindet, und Temperaturen, die in die Tausende von Grad Celsius reichen, könnte die Nutzung der Erdwärme einen entscheidenden Beitrag zur Zukunft der Energie leisten. Die Technologie hat sich in den letzten Jahren weiterentwickelt und bietet immer zuverlässigere Lösungen, um die Herausforderungen der Energiewende zu meistern.

Ein zentraler Aspekt der Geothermie ist ihre Umweltfreundlichkeit. Der nahezu CO2-freie Betrieb von Geothermie-Anlagen fördert eine gute Ökobilanz und trägt somit zum Klimaschutz bei. Die Möglichkeiten, durch geeignete Geothermie-Techniken komplette Stadtviertel zu beheizen oder sogar nachhaltigen Strom zu erzeugen, zeigen deutlich das Potenzial dieser Energiequelle für eine grünere Zukunft.

Die Herausforderungen sind zwar nicht zu vernachlässigen, insbesondere bezüglich der hohen Anfangsinvestitionen und den erforderlichen Genehmigungen, jedoch überwiegen die langfristigen Vorteile. Die Geothermie wird mit Blick auf eine nachhaltige Energieversorgung und eine sich abzeichnende Energiewende ein zunehmend wichtiger Bestandteil der erneuerbaren Energien und der gesamten Energiewirtschaft sein.