Tiefe Geothermie

Die Geothermie oder Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geothermie bezeichnet sowohl die ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung, als auch die wissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation des Erdkörpers.

Geothermische Anlage in Kalifornien

Geothermiekraftwerk in Island

Ursprung geothermischer Energie

Geothermie stammt zum Teil (geschätzt: 30-50 Prozent) aus der Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung (Akkretion), zum anderen (geschätzt: 50-70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen. Ganz oberflächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu.

Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4500 °C bis 6500 °C. 99 Prozent unseres Planeten sind heißer als 1000 °C; ca. 90 Prozent des Rests sind immer noch heißer als 100 °C. Fast überall hat das Erdreich in 1 Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C (siehe auch Geothermische Tiefenstufe). Unter besonderen geologischen Bedingungen – zum Beispiel in heutigen oder früheren Vulkangebieten – entstehen geothermische Anomalien. Hier kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.

Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung

Die Erde ist vor ca. 4,6 - 4,7 Milliarden Jahren durch Akkretion von Materie entstanden. Hierbei erhitzt sich das Material, wobei kinetische Energie (Bewegungsenergie) in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie hat sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe an den Weltraum bis heute zum Teil erhalten und kann als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung bezeichnet werden.

Hierzu zählt auch die Wärme, die beim Erstarren des Gesteins frei wird, das bei der Planetenbildung aufgeschmolzen wurde: Am Übergang vom festen zum flüssigen Teil des Erdkerns entsteht Kristallisationswärme durch das allmähliche Verfestigen zähflüssigen Kernmaterials.

Radioaktive Zerfallsprozesse

Dieser Anteil der Geothermie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z.B. Uran-235 und U-238, Thorium-232 und Kalium-40 zurück. Diese Elemente sind in die Kristallgitter bestimmter Minerale eingebaut, beispielsweise in die Feldspäte und Glimmer in Graniten. Es handelt sich um eine natürliche Form der Kernenergie.

Die Leistung, die aus dem radioaktiven Zerfall resultiert, beträgt etwa 16 · 10¹² Watt. Bei einem mittleren Erdradius von 6 371 km beträgt die geothermische Leistungsdichte des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,032 Watt (32 mW) pro Quadratmeter Erdoberfläche. Dies würde etwa die Hälfte des terrestrischen Wärmestroms ausmachen.

Wärmestrom aus dem Erdinneren

Die Wärme wird aus tieferen Teilen der Erde durch Wärmeleitung, also Konduktion, aber auch durch Konvektion in für die Nutzung erreichbare Tiefen transportiert.

Der terrestrische Wärmestrom, die von der Erde pro Quadratmeter an den Weltraum abgegebene Leistung, beträgt etwa 0,063 Watt/m² (63 mW/m²) (Wärmestromdichte). Dies ist ein relativ kleiner Wert und weist schon darauf hin, dass sich Geothermie vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet. In anomalen Gebieten, wie etwa vulkanischen, kann der Wärmefluss um ein Vielfaches größer sein.

Wegen der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung vorwiegend nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste gespeicherte Energie genutzt. Eine Geothermienutzung muss dabei so dimensioniert werden, dass die Auskühlung des betreffenden Erdkörpers so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet.

Einteilung der Geothermiequellen

Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der

• oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung, etwa zum Heizen und Kühlen, meist als Wärmepumpenheizung, und der
• tiefen Geothermie zur direkten Nutzung im Wärmemarkt oder auch indirekt zur Stromerzeugung unterschieden.

Weiterhin wird zwischen Hoch- und Niedrigenthalpielagerstätten unterschieden. Hochenthalpie bedeutet, dass derartige Lagerstätten eine hohe Temperatur bereitstellen.

Tiefe Geothermie

Mit zunehmender Tiefe in der Erdkruste steigt die Temperatur an. Im Durchschnitt beträgt die Temperaturerhöhung 35 K bis 40 K pro Kilometer Eindringtiefe (geothermische Tiefenstufe). Dieser Wert schwankt regional jedoch oft stark. Abweichungen vom Standard werden als Wärmeanomalien bezeichnet. Interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höheren Temperaturen. Hier können die Temperaturen schon in geringer Tiefe mehrere hundert Grad betragen. Derartige Anomalien sind häufig an Vulkanaktivität geknüpft. In der Geothermie gelten sie als hochenthalpe Lagerstätten. Sie werden weltweit zur Stromerzeugung genutzt.

Hochenthalpie-Lagerstätten

Die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten dominiert. Dies sind Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen. Dort sind mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern.

Land	Anzahl der Vulkane	Ressource Dauerleistung: MWel
USA	133	23.000
Japan	100	20.000
Indonesien	126	16.000
Philippinen	53	6.000
Mexiko	35	6.000
Island	33	5.800
Neuseeland	19	3.650
Italien (Toskana)	3	700	(Quelle: Literatur/Statistik, 5.)

Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen können Hochenthalpie-Lagerstätten mehr dampf- oder mehr wasserdominiert sein. Früher wurde der Dampf nach der Nutzung in die Luft entlassen, was zu erheblichem Schwefelgeruch führen konnte (Italien, Larderello). Heute werden die abgekühlten Fluide in die Lagerstätte reinjiziert (zurückgepumpt). So werden negative Umwelteinwirkungen vermieden und gleichzeitig die Produktivität durch Aufrechterhalten eines höheren Druckniveaus in der Lagerstätte verbessert.

Das heiße Fluid kann zur Bereitstellung von Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Besonders interessant ist die Erzeugung von Strom aus dem heißen Dampf. Hierfür wird das im Untergrund erhitzte Wasser genutzt, um eine Dampfturbine anzutreiben. Der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem steht so unter Druck, dass ein Sieden des eingepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst an der Turbine entsteht (Flash-Verfahren).

Niederenthalpie-Lagerstätten

In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr unterschiedlich sein. In der Regel sind jedoch, wenn für die Nutzung höhere Temperaturen gebraucht werden als sie mit flachen Bohrungen zu erschließen sind, tiefe Bohrungen notwendig. Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung sind Temperaturen über 100 °C erforderlich. Liegen diese in einem Aquifer vor, so kann aus diesem Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden. Man spricht dann von Hydrothermaler Geothermie. Ist das Gestein, in dem die hohen Temperaturen angetroffen wurden, wenig permeabel, so dass aus ihm kein Wasser gefördert werden kann, so kann dort Wasser in einem künstlichen Risssystem zirkuliert werden. Dieses Verfahren wird als Petrothermale Geothermie bezeichnet. Eine weitere Möglichkeit, bei der allerdings vergleichsweise wenig Energie extrahiert wird, ist eine tiefe Erdwärmesonde, wobei das Wasser nur innerhalb der Sonde zirkuliert (Geschlossenes System).

Generell werden im Bereich der tiefen Geothermie drei Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund unterschieden:

• Hydrothermale Systeme: im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter (Aquifere).
• Petrothermale Systeme, oft auch HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) genannt: mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser oder CO₂ zwischen zwei tiefen Brunnen zirkuliert.
  Tatsächlich ist die Annahme, bei diesen Temperaturen und Tiefen trockene Gesteinsformationen vorzufinden, nicht korrekt. Aus diesem Grund existieren auch verschiedene andere Bezeichnungen für dieses Verfahren: u. a. Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) oder Enhanced Geothermal System (EGS). Eine neutrale Bezeichnung ist Petrothermale Systeme.
• Tiefe Erdwärmesonden: das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde.

Welches der in Frage kommenden Verfahren zum Einsatz kommt, ist von den geologischen Voraussetzungen am Standort, von der benötigten Energiemenge und dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung abhängig. Derzeit werden in Deutschland fast ausschließlich hydrothermale Systeme geplant. HDR-Verfahren befinden sich in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forêts im Elsass und in Basel in der Erprobung. In SE-Australien (Cooper Basin, New South Wales) ist seit 2001 ein kommerzielles Projekt im Gange (Firma Geodynamics Limited).

Hydrothermale Systeme

Für die hydrothermale Geothermie werden in großen Tiefen natürlich vorkommende Thermalwasservorräte, sogenannte Heißwasser-Aquifere (wasserführende Schichten) angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme oder Strom möglich.

Petrothermale Systeme

Das Prinzip der Nutzung der Geothermie aus heißem dichtem Gestein (HDR), siehe auch 'Petrothermale Systeme'

Gesteine in größerer Tiefe weisen eine hohe Temperatur auf. Sofern die Gesteine nahezu wasserfrei sind, kann die darin gespeicherte Energie zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden (Hot-Dry-Rock-Systeme: HDR). Um die Wärme dieser Gesteine nutzen zu können, müssen sie von Wasser als Wärmeträger durchflossen werden, das die Energie anschließend an die Oberfläche bringt.

Das in der Tiefe vorhandene heiße Gestein wird über Bohrungen erschlossen. Hierbei gibt es mindestens eine Förder- und eine Verpressbohrung, welche durch einen geschlossenen Wasserkreislauf verbunden sind. Zu Beginn wird Wasser mit enorm hohem Druck in das Gestein gepresst (hydraulische Stimulation); hierdurch werden Fließwege aufgebrochen oder vorhandene aufgeweitet und damit die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht. Dieses Vorgehen ist notwendig, da sonst die Wärmeübertragungsfläche und die Durchgängigkeit zu gering wären. Das so geschaffene System aus natürlichen und künstlichen Rissen bildet einen unterirdischen, geothermischen Wärmeübertrager. Durch die Injektions-/Verpressbohrung wird Wasser in das Kluftsystem eingepresst, wo dieses zirkuliert und sich erhitzt. Anschließend wird es durch die zweite Bohrung, die Produktions-/Förderbohrung, wieder an die Oberfläche gefördert.

Tiefe Erdwärmesonden

Die tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung. Sie besteht aus einer 2000 bis 3000 m tiefen Bohrung, in der ein Fluid zirkuliert. In der Regel ist das Fluid in einem koaxialen Rohr eingeschlossen: Im Ringraum der Bohrung fließt das kalte Wärmeträgerfluid nach unten, um anschließend in der dünneren eingehängten Steigleitung erwärmt wieder aufzusteigen. Derartige Erdwärmesonden haben gegenüber offenen Systemen den Vorteil, dass kein Kontakt zum Grundwasser besteht. Sie sind an jedem Standort möglich. Ihre Entzugsleistung hängt neben technischen Parametern von den Gebirgstemperaturen und den Leitfähigkeiten des Gesteins ab. Sie wird jedoch nur einige hundert kW betragen und somit wesentlich kleiner sein als bei einem vergleichbaren offenen System. Dies liegt daran, dass die Wärmeübertragungsfläche mit dem Gebirge sehr klein ist, da sie nur der Mantelfläche der Bohrung entspricht.

Neue tiefe Erdwärmesonden werden zurzeit (2005) in Aachen (SuperC der RWTH Aachen) und Arnsberg (Freizeitbad Nass) gebaut.

Alternativ zur Zirkulation von Wasser (eventuell mit Zusätzen) in der Erdwärmesonde sind auch Sonden mit Direktverdampfern (Wärmerohre oder aus dem Englischen Heatpipes) vorgeschlagen worden. Als Arbeitsmittel kann entweder eine Flüssigkeit mit einem entsprechend niedrigen Siedepunkt verwendet werden, oder ein Gemisch beispielsweise aus Ammoniak und Wasser. Eine derartige Sonde kann auch unter Druck und dann beispielsweise mit Kohlendioxid betrieben werden. Heatpipes können eine höhere Entzugsleistung erreichen als konventionelle Sonden, da sie auf ihrer gesamten Länge die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels haben können. Durch die Isolierproblematik bei höheren Wasserdrücken ist der eigentliche Wärmeverlust im Bereich von 0 bis 1000 m. festzustellen. Selbst gute PU-Schäume verhindern nicht das hineindiffundieren von Wassermolekülen. Das Beste wäre eine Vakuumrohrummantelung für den Vor- und Rücklauf.

Oberflächennahe Geothermie

Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark. Innerhalb der oberen Schichten des Erdbodens werden diese Temperaturen jedoch nicht bzw. nur sehr stark gedämpft nachvollzogen. Aus mathematischer Sicht folgt der Temperaturverlauf einer harmonischen Schwingung. In 5 bis 10 m Tiefe entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch der Jahresmitteltemperatur des Standortes (ca. 8 bis 10 °C in Deutschland).

Mittels Erdwärmesonden (vertikale Bohrungen), Erdwärmekollektoren (horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme) oder Erdwärmekörben^[1], aber auch mit erdgebundenen Beton-Bauteilen wird die Wärme an die Oberfläche befördert. Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren (Wärmepumpenheizung). Vor allem im Sommer kann mit einer Wärmepumpenheizung auch gekühlt werden, während im Winter sehr viel Heizmaterial eingespart werden kann.

Geothermie aus Tunneln

Zur Gewinnung thermischer Energie aus Tunnelbauwerken wird auch austretendes Tunnelwasser genutzt, welches ansonsten aus Umweltschutzgründen in Abkühlbecken zwischengespeichert werden müsste, bevor es in örtliche Gewässer abgeleitet werden darf. Die erste solche bekannte Anlage wurde 1979 in der Schweiz beim Südportal des Gotthard-Straßentunnels in Betrieb genommen. Sie versorgt den Autobahnwerkhof von Airolo mit Wärme und Kälte. Weitere Anlagen sind zwischenzeitlich dazugekommen, welche vor allem Warmwasser aus Bahntunneln nutzen. Beim Nordportal des im Bau befindlichen Gotthard-Basistunnels tritt bereits heute Tunnelwasser mit Temperaturen zwischen 30 und 34 °C aus. Es soll bald in einem Fernwärmenetz genutzt werden. Das Tunnelwasser des neuen Lötschberg-Bahntunnels wird für eine Störzucht und für ein Tropenhaus verwendet.^[2]

In Österreich wurde ein Verfahren entwickelt, um die Wärme aus Tunneln mittels eines Transportmediums zu nutzen, welches in eingemauerten Kollektoren zirkuliert. Das Prinzip wurde unter dem Namen TunnelThermie bekannt. Durch die großen, erdberührten Flächen stellt diese relativ junge Technologie ein hohes Nutzungspotenzial besonders in innerstädtischen Tunnelbauwerken dar.

Geothermie aus Bergbauanlagen

Bergwerke und ausgeförderte Erdgaslagerstätten, die wegen der Erschöpfung der Vorräte stillgelegt werden, sind denkbare Projekte für Tiefengeothermie. Dies gilt eingeschränkt auch für tiefe Tunnelbauwerke. Die dortigen Formationswasser sind je nach Tiefe der Lagerstätte 60 bis 120 °C heiß, die Bohrungen oder Schächte sind oft noch vorhanden und könnten nachgenutzt werden, um die warmen Lagerstättenwässer einer geothermischen Nutzung zuzuführen.

Derartige Anlagen zur Gewinnung der geothermischen Energie müssen so in die Einrichtungen zur Verwahrung des Bergwerks integriert werden, dass die öffentlich rechtlich normierten Verwahrungsziele, das stillgelegte Bergwerk (§ 55 Absatz 2 Bundesberggesetz und § 69 Abs. 2 Bundesberggesetz) gefahrenfrei zu halten, auch mit den zusätzlichen Einrichtungen erfüllt werden.

Saisonale Wärmespeicher

Geothermie steht immer, also unabhängig von der Tages- und Jahreszeit und auch unabhängig vom Wetter zur Verfügung. Optimal wird eine Anlage, in der das oberflächennahe Temperaturniveau genutzt werden soll, dann arbeiten, wenn sie auch zeithomogen genutzt wird. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn im Winter mit Hilfe einer Wärmepumpe das oberflächennahe Temperaturniveau von ca. 10 °C zum Heizen genutzt wird und sich dabei entsprechend absenkt und im Sommer dann dieses Reservoir zur direkten Kühlung benutzt wird. Beim Kühlen im Sommer ergibt sich dabei eine Erwärmung des oberflächennahen Reservoirs und damit dessen teilweise oder vollständige Regeneration. Im Idealfall sind beide Energiemengen gleich. Der Energieverbrauch des Systems besteht dann im Wesentlichen aus der Antriebsleistung für die Wärme- bzw. Umwälzpumpe.

Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Anlagen z. B. Solarthermie kombiniert wird. Solarthermie stellt Wärme vorwiegend im Sommer zur Verfügung, wenn sie weniger gebraucht wird. Durch Kombination mit Geothermie lässt sich diese Energie im Sommer in den unterirdischen Wärmespeicher einspeisen und im Winter wieder abrufen. Die Verluste sind standortabhängig, aber in der Regel gering.

Saisonale Speicher können sowohl oberflächennah, als auch tief ausgeführt werden. Sogenannte Hochtemperatur-Speicher (> 50 °C) sind allerdings nur in größerer Tiefe denkbar. Beispielsweise verfügt das Reichstagsgebäude über einen derartigen Speicher.

Nutzung von Erdwärme

Die Geothermie ist eine langfristig nutzbare Energiequelle. Mit den Vorräten, die in den oberen drei Kilometern der Erdkruste gespeichert sind, könnte im Prinzip, rechnerisch und theoretisch der derzeitige weltweite Energiebedarf für über 100.000 Jahre gedeckt werden.

Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen Direkter Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst, und "Indirekter Nutzung", der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk. Aus der Sicht der Optimierung von Wirkungsgraden sind auch hier Kraft-Wärme-Kopplungen (KWK) optimal. Das Problem sind hierbei meistens die Abnehmer der Wärme. Nicht an jedem Kraftwerksstandort werden sich Abnehmer für die Wärme finden lassen. Die Forderung, Geothermie ausschließlich in KWK-Projekten zu nutzen, bleibt ein Wunschtraum.

Direkte Nutzung

Nutzungsart	Temperatur in °C
Einkochen und Verdampfen, Meerwasserentsalzung	120
Trocknung von Zementplatten	110
Trocknung von organischem Material wie Heu, Gemüse, Wolle	100
Lufttrocknung von Stockfisch	90
Heizwassertemperatur zur Raumheizung (klassisch)	80
Kühlung	70
Tierzucht	60
Pilzzucht, Balneologie, Gebrauchtwarmwasser	50
Bodenheizung	40
Schwimmbäder, Eisfreihaltung, Biologische Zerlegung, Gärung	30
Fischzucht	20
Natürliche Kühlung	<10
Lindal-Diagramm

Frühe balneologische Anwendungen finden sich in den Bädern des Römischen Reiches, im Mittleren Königreich der Chinesen und der Ottomanen. In Chaudes-Aigues im Zentrum Frankreichs existiert das erste historische, geothermische Fernwärmenetz, dessen Anfänge bis ins 14. Jahrhundert zurückreichen.

Wärme wird heutzutage in vielfältiger Weise gebraucht (Wärmemarkt). Eine klassische Darstellung der dabei benötigten Temperaturen gibt das Lindal Diagramm (Baldur Lindal, 1918-1997).

Heizen und Kühlen mit Erdwärme

Für die meisten Anwendungen werden nur relativ niedrige Temperaturen benötigt. Aus tiefer Geothermie können häufig die benötigten Temperaturen direkt zur Verfügung gestellt werden. Reicht dies nicht, so kann die Temperatur durch Wärmepumpen angehoben werden, so wie dies meist bei der oberflächennahen Geothermie geschieht.

In Verbindung mit Wärmepumpen wird Erdwärme in der Regel zum Heizen und Kühlen von Gebäuden sowie zur Warmwasserbereitung eingesetzt (siehe Wärmepumpenheizung).

Nur wenige Anwendungen sind ohne Wärmepumpe möglich. Die wichtigste ist die natürliche Kühlung, bei der Wasser mit der Temperatur des flachen Untergrundes, also der Jahresmitteltemperatur des Standortes, direkt zur Gebäudekühlung verwendet wird. Diese natürliche Kühlung hat das Potential, weltweit Millionen von elektrisch betriebenen Klimageräten zu ersetzen. Sie wird jedoch derzeit nur wenig angewendet.

Eine weitere direkte Anwendung ist das Eisfreihalten von Brücken und Straßen. Auch hier wird keine Wärmepumpe benötigt, denn der Speicher wird durch Abführung und Einspeicherung der Wärme mit einer Umwälzpumpe von der heißen Fahrbahn im Sommer regeneriert. Dazu zählt auch das frostfreie Verlegen von Wasserleitungen. Die im Boden enthaltene Wärme lässt den Boden im Winter nur bis in eine geringe Tiefe einfrieren.

Für die Wärmenutzung aus tiefer Geothermie eignen sich niedrigthermale Tiefengewässer mit Temperaturen zwischen 40 und 100 °C, wie sie vor allem im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen Tiefebene vorkommen. Das Thermalwasser wird gewöhnlich aus 1000 bis 2500 Metern Tiefe über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, gibt den wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie per Wärmeübertrager an einen zweiten, den „sekundären“ Heiznetzkreislauf ab. Ausgekühlt wird es anschließend über eine zweite Bohrung wieder mit einer Pumpe in den Untergrund verpresst, und zwar in die Schicht, aus der es entnommen wurde.

Nutzungsart	Energie TJ/a	Leistungsabgabe Jahresmittelwert GW
Wärmepumpen	86.673	2,75
Bäder	75.289	2,39
Raumheizung	52.868	1,68
Gewächshäuser	19.607	0,62
Industrie	11.068	0,35
Landwirtschaft	10.969	0,35
Trocknung (Landwirtschaft)	2.013	0,06
Kühlen, Schneeschmelzen	1.885	0,06
Andere Nutzung	1.045	0,03
Total	261.418	8,29
direkte Nutzung der Erdwärme weltweit (Stand: 2004, Quelle: Literatur/Statistik, 3.)

Stromerzeugung

Zur Stromerzeugung wurde die Geothermie zum ersten mal in Larderello in der Toskana eingesetzt. 1913 wurde dort von Graf Piero Ginori Conti ein Kraftwerk erbaut, in dem wasserdampfbetriebene Turbinen 220 kW elektrische Leistung erzeugten. Heute werden dort 400 MW Strom in Italiens Energienetz eingespeist. Unter der Toskana treffen die nordafrikanische und die eurasische Kontinentalplatte aufeinander, was dazu führt, dass sich Magma relativ dicht unter der Oberfläche befindet. Dieses heiße Magma erhöht hier die Temperatur des Erdreiches soweit, dass eine wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme möglich ist.

Schemazeichnung für die Stromgewinnung aus Geothermie

Bei der hydrothermalen Stromerzeugung sind Wassertemperaturen von mindestens 100 °C notwendig. Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen über 150 °C können direkt zum Antrieb einer Turbine genutzt werden. In Deutschland liegen allerdings die üblichen Temperaturen geologischer Warmwasservorkommen niedriger. Lange Zeit wurde Thermalwasser daher ausschließlich zur Wärmeversorgung im Gebäudebereich genutzt. Neu entwickelte Organic Rankine Cycle-Anlagen (ORC) ermöglichen eine Nutzung von Temperaturen ab 80 °C zur Stromerzeugung. Diese arbeiten mit einem organischen Medium, das bei relativ geringen Temperaturen verdampft. Dieser Dampf treibt über eine Turbine den Stromgenerator an. Eine Alternative zum ORC-Verfahren ist das Kalina-Verfahren. Hier werden Zweistoffgemische, so zum Beispiel aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsmittel verwendet. Für Anlagen in einem kleineren Leistungsbereich (< 200 kW) sind auch motorische Antriebe wie Stirlingmotoren denkbar. Geothermie ist grundlastfähig.

Die Stromerzeugung aus Geothermie ist traditionell in Ländern, die über Hochenthalpielagerstätten verfügen, in denen Temperaturen von mehreren hundert Grad in vergleichsweise geringen Tiefen (< 2000 m) angetroffen werden. Die Lagerstätten können dabei, je nach Druck und Temperatur, wasser- oder dampf-dominiert sein. Bei modernen Förderungstechniken werden die ausgekühlten Fluide reinjiziert, so dass praktisch keine negativen Umweltauswirkungen, wie Schwefelgeruch, mehr auftreten.

Geothermie weltweit

Geothermie ist eine bedeutende erneuerbare Energie. Einen besonderen Beitrag zu ihrer Nutzung leisten hierbei die Länder, die über Hochenthalpielagerstätten verfügen. Dort kann der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergieversorgung des Landes erheblich sein, z.B. Geothermale Energie in Island.

Direkte Nutzung international

Land	Energie- umsatz pro Jahr TJ/a	Leistungsabgabe Jahresmittelwert GW
China	45.373	1,44
Schweden	36.000	1,14
USA	31.239	0,99
Island	23.813	0,76
Türkei	19.623	0,62
Ungarn	7.940	0,25
Italien	7.554	0,24
Neuseeland	7.086	0,22
Brasilien	6.622	0,21
Georgien	6.307	0,20
Russland	6.243	0,20
Frankreich	5.196	0,16
Japan	5.161	0,16
Summe	208.157	6,60
(Quelle: Literatur/Statistik, 3.)

Im Jahr 2005 waren zur direkten Nutzung von Geothermie weltweit Anlagen mit einer Leistung von 27.842 Megawatt (fast 28 Gigawatt) installiert. Diese haben Energie in der Größenordnung von 261.418 Terajoule pro Jahr (72.616 Gigawattstunden pro Jahr), das entspricht einer mittleren Leistungsabgabe im Jahr von 8,29 GW oder bei einer Weltbevölkerung 2005 von 6,465 Mrd. Menschen 1,28 Watt/Mensch – durchschnittlicher Primärenergieverbrauch 2.100 Watt/Mensch – oder 0,061 % des Primärenergieverbrauchs der Welt. Der Ausnutzungsgrad der installierten Leistung beträgt also etwa 30 % (diese Kennzahl ist wichtig für die überschlägige Kalkulation der Wirtschaftlichkeit von geplanten Anlagen, sie wird allerdings weitgehend durch die Verbraucherstruktur und weniger durch die Erzeuger, also die Wärmequelle bestimmt).

Länder mit Energieumsätzen größer als 5.000 TJ/Jahr zeigt die Tabelle.

Besonders hervorzuheben sind Schweden und Island. Schweden ist geologisch eher benachteiligt, hat aber durch eine konsequente Politik und Öffentlichkeitsarbeit diesen hohen Anteil bei der Nutzung erneuerbarer Energien vorwiegend zum Heizen (Wärmepumpenheizung) erreicht.

Auch in Island hat die Nutzung dieser Energie einen beträchtlichen Anteil an der Energieversorgung des Landes (ca. 53 %), vgl. Geothermale Energie in Island. Es ist inzwischen weltweit Vorreiter auf diesem Gebiet.

Stromerzeugung international

Stromerzeugung aus Geothermie konzentriert sich traditionell auf Länder, die über oberflächennahe Hochenthalpie-Lagerstätten verfügen (meist Vulkan- oder Hot-Spot-Gebiete). In Ländern, die dies – wie zum Beispiel Deutschland – nicht haben, muss der Strom mit einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau (Niederenthalpielagerstätte mit etwa 100–150 °C) erzeugt werden, oder es ist entsprechend tiefer zu bohren.

Weltweit ist geradezu ein Boom bei der Nutzung von Geothermie zur Stromerzeugung eingetreten. Die installierte Leistung beträgt 2005: 8912 MW und damit werden 56 798 GWh/a elektrische Energie erzeugt.

Land	In 2000 - 2005 installierte elektrische Leistung MWe
Italien	254
Indonesien	250
Mexico	198
Kenia	92
USA	60
Russland	50
Island	30
Philippinen	22
Costa Rica	18
(Quelle: Literatur/Statistik, 1.)

Niederenthalpie-Lagerstätten werden bisher weltweit wenig genutzt. Zukünftig werden sie an Bedeutung gewinnen, da diese Nutzung überall möglich ist und nicht spezielle geologische Bedingungen voraussetzt. Deutschland kann in dieser Technologie eine Führerschaft übernehmen. Im November 2003 wurde das erste derartige Kraftwerk Deutschlands, das Geothermiekraftwerk Neustadt-Glewe, in Betrieb genommen.

In Australien wird in Cooper Basin das erste rein wirtschaftliche Geothermiekraftwerk auf der Basis HFR (Hot Fractured Rock) erstellt. Bisher sind zwei Bohrungen auf über 4.000 m Tiefe gebohrt und ein künstliches Risssystem erzeugt. Die Temperaturen sind mit 270 Grad höher als erwartet und auch die künstlich erzeugte Wasserwegsamkeit zwischen den Bohrungen ist besser als geplant. 2006 wird mit dem Bau des Kraftwerks nach dem Kalina Verfahren begonnen.

In den letzten fünf Jahren wurde die Stromerzeugung stark ausgebaut. Auf Länder bezogen ergeben sich weltweit die in der Tabelle angegebenen Zuwächse für den Zeitraum 2000-2005.

Land	Anteil an der Stromerzeugung in %	Anteil am Wärmemarkt in %
Tibet	30	30
San Miguel Island	25	keine Angabe
El Salvador	14	24
Island	19,1	90
Philippinen	12,7	19,1
Nicaragua	11,2	9,8
Kenia	11,2	19,2
Lihir Island	10,9	keine Angabe
Guadeloupe	9	9
Costa Rica	8,4	15
Neuseeland	5,5	7,1
(Quelle: [3])

Bezogen auf die pro-Kopf-Nutzung der Erdwärme ist Island heute Spitzenreiter mit 576 MW (2008) installierter Gesamtleistung (Geothermale Energie in Island). Die USA führen dagegen mit einer installierten Gesamtleistung von 2.564 MW (2005) vor Philippinen mit 1.930 MW (2005).

Situation in Deutschland

Das Geothermiekraftwerk Neustadt Glewe in Deutschland von Innen

Erdwärme gilt nach § 3 Abs. 3 Satz 2 Nr. 2b Bundesberggesetz (BBergG) als „bergfreier Bodenschatz“. Dies bedeutet, dass sich das Eigentum an einem Grundstück nicht auf die Erdwärme erstreckt. Für die Aufsuchung der Erdwärme bedarf es daher einer Erlaubnis nach § 7 BBergG und für die Gewinnung einer Bewilligung nach § 8 BBergG.

Die geothermische Stromerzeugung steckt in Deutschland noch in den Anfängen. Unter anderem beschäftigt sich jedoch das Deutsche GeoForschungsZentrum in Potsdam intensiv mit diesem Thema^[4]. Erst zwei Kraftwerke (in Neustadt-Glewe und Landau) erzeugen eine geringe Menge Strom. Im Jahr 2008 wird jedoch mindestens ein weiteres Geothermiekraftwerk (Unterhaching bei München) ans Netz gehen. Oberflächennahe Geothermie wird in Bayern in der Umgebung von Ansbach untersucht ^[5], wo es auch einen Ausbildungsschwerpunkt an der dortigen Fachhochschule gibt. Zahlreiche weitere Projekte sind im Bau, so dass in den nächsten Jahren mit einem deutlichen Anstieg beim Anteil der geothermisch erzeugten Strommenge zu rechnen ist. Recht weit verbreitet ist hingegen die direkte energetische Nutzung von hydrothermaler Geothermie beim Betrieb von Fern- und Nahwärmenetzen. Eine Übersicht über die in Deutschland vorhandenen Anlagen hydrogeothermaler Nutzung ist in dem Verzeichnis Geothermischer Standorte^[6] zu finden. Aus den derzeit bekannten Ressourcen hydrothermaler Geothermie könnte bis zu 29 Prozent der in der Bundesrepublik benötigten Wärme bereitgestellt werden.

In Deutschland ist die direkte Nutzung oberflächennaher Geothermie (Wärmepumpenheizung) schon weit verbreitet und hat hohe Zuwachsraten. 2006 wurden 28.000 neue Anlagen installiert, ein Zuwachs von mehr als 115 % gegenüber 2005. Insgesamt dürften 2007 etwa 130.000 Anlagen installiert sein. Erstmals flächig erforscht werden soll der Einsatz von oberflächennaher Geothermie im Erdwärmepark in Neuweiler im Nordschwarzwald; einem Baugebiet, in dem ausschließlich Erdwärme zu Zwecken der Gebäudeheizung und –kühlung verwendet wird. Hier soll im Rahmen eines Modellprojekts auch das Heizen bzw. Kühlen der vorhandenen Straßen erstmals umgesetzt werden.

Für Deutschland ergibt sich laut der Zahlen des BMU für das Jahr 2004 das folgende Bild:

Der Energieerzeugung im Jahr 2004 aus der Geothermie von 5.609 TJ/a (entsprechend einer mittleren Leistungsabgabe von 0,178 GW im Jahr 2004) steht ein Primärenergieverbrauch in Deutschland im selben Jahr von 14.438.000 TJ/a (entsprechend einer mittleren Leistung von 458 GW) gegenüber. Es wurden also im Jahr 2004 0,04 % des Primärenergieverbrauchs in Deutschland durch Geothermie gedeckt.

Die Geothermie-Branche rechnet in Deutschland mit einem jährlichen Wachstum von 14 Prozent. Im laufenden Jahr (Stand: März 2005) werden sich der Umsatz auf etwa 170 Millionen Euro und die Investitionen auf 110 Millionen Euro belaufen. Etwa 10.000 Menschen arbeiten bereits direkt oder indirekt für die geothermische Energieversorgung (Quelle, siehe Literatur/Statistik, 2.).

Direkte Nutzung

Im Bereich der tiefen Geothermie gibt es in Deutschland zurzeit 30 Installationen mit Leistungen über 2 MW. Diese leisten zusammen 105 MW (Quelle, siehe Literatur/Statistik, 4.). Die meisten dieser Einrichtungen stehen im

• Norddeutschen Becken, in der
• Süddeutschen Molasse oder in der
• Oberrheinischen Tiefebene/Oberrheingraben.

Der norddeutsche Raum verfügt geologisch bedingt über ein großes Potential geothermisch nutzbarer Energie in thermalwasserführenden Porenspeichern des Mesozoikums in einer Tiefe von 1000 bis 2500 m mit Temperaturen zwischen 50 °C und 100 °C. Die Geothermische Heizzentrale (GHZ) in Neubrandenburg war eines der Pilotprojekte zur Nutzung der Geothermie.

Das Molassebecken in Süddeutschland (Alpenvorland) bietet günstige Voraussetzungen für eine geothermische Nutzung. Zahlreiche balneologische Erschließungen in Baden-Württemberg bestehen bereits seit einigen Jahrzehnten. Darüber hinaus existieren in Südbayern derzeit sieben groß-energetische Nutzungen (geothermisch betriebene Fernwärmenetze) und zahlreiche weitere sind in Planung oder im Bau. Das Thermalwasser stammt aus einer Kalksteinschicht (vor allem Kluftgrundwasser) des Oberjura (Malm) an der Basis des nordalpinen Molassetrogs. Diese Gesteine treten entlang der Donau an der Erdoberfläche in Erscheinung und tauchen in Richtung Süden am Alpenrand auf bis über 5000 m unter die Erdoberfläche ab. Dort sind auch Temperaturen höher als 140 °C zu erwarten.

Der Oberrheingraben bietet deutschlandweit besonders gute geologisch-geothermische Voraussetzungen (u. a. hohe Temperatur, Wärmefluss, Struktur im Untergrund). Allerdings sind die Thermalwässer im Oberrheingraben reich an gelösten Inhaltsstoffen, was hohe Anforderungen an die Anlagentechnik stellt. An verschiedenen Standorten sind Projekte in Planung und im Bau. Für viele Regionen sind bereits Konzessionen erteilt worden.

Untersucht wird zudem beispielsweise, ob in das Fernwärmenetz der Ruhr-Universität und der Hochschule Bochum Erdwärme eingespeist werden kann. Auch Gebäude der RWTH Aachen sollen mittels Geothermie beheizt werden (Tiefe Erdwärmesonde).

In Bad Urach (Schwäbische Alb) konnte ein langjährig als aussichtsreich betriebenes und weit fortgeschrittenes Projekt aus finanziellen Gründen nicht vollendet werden ^[7].

Baden-Württemberg hat genau wie Nordrhein Westfalen ein Förderprogramm für Erdwärmesonden-Anlagen für kleine Wohngebäude aufgelegt, mit einer Förderung der Bohrmeter, siehe Weblinks.

Zusätzlich gibt es in Deutschland mehr als 50.000 oberflächennahe Geothermieanlagen, bei denen Wärmepumpen zum Anheben der Temperatur eingesetzt werden. Diese haben zusammen eine Leistung von mehr als 500 MW. Im Vergleich zu Schweden, Schweiz oder Österreich ein eher geringer Marktanteil. Im Jahr 2000 betrug er in Deutschland 2 bis 3 %, in Schweden 95 %, und in der Schweiz 36 % (Siehe auch Wärmepumpenheizung)

Stromerzeugung

Das erste geothermische Kraftwerk in Deutschland ist 2004 in Mecklenburg-Vorpommern als Erweiterung des bereits 1994 errichteten geothermischen Heizwerks in Betrieb genommen worden. Die elektrische Leistung des Geothermiekraftwerks Neustadt-Glewe beträgt bis zu 230 kW. Aus einer Tiefe von 2250 Metern wird etwa 97 °C heißes Wasser gefördert und zur Strom- und Wärmeversorgung genutzt. Im Jahr 2004 betrug die erzeugte Strommenge 424 000 Kilowattstunden (Quelle: AGEE-Stat/BMU), angestrebt sind jährlich ca. 1,2 Mio. Kilowattstunden (entspricht einer mittleren Leistung von 48kW bzw. 137kW). Die Inbetriebnahme stellt einen Meilenstein in der Entwicklung der geothermischen Stromerzeugung in Deutschland dar, dem weitere Projekte folgen werden. Der Bau von Geothermiekraftwerken erlebt in Deutschland zurzeit geradezu einen Boom. Viele Kraftwerke sind im Bau oder in der Planung. Die meisten davon am Oberrhein und in der oberbayrischen Molasse. Die Bergämter haben dort zahlreiche Aufsuchungsgenehmigungen vergeben (bis 2007 über 100).

Die für die Stromerzeugung erforderlichen Wärmereservoirs mit hohen Temperaturen sind in Deutschland nur in großer Tiefe vorhanden. Die für den Betrieb erforderlichen Temperaturen zu erschließen, ist mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden. Geologische und bohrtechnische Erschließungsrisiken müssen dabei im Verhältnis zum finanziellen Aufwand abgewogen werden. Forschungsarbeiten zur Nutzung tief liegender bzw. weitgehend wasserundurchlässiger Gesteine laufen und versprechen die Möglichkeiten zur Stromerzeugung weiter zu erhöhen. Eine Studie des Deutschen Bundestages gibt das Potential der Stromproduktion mit 10²¹ Joule an.

Geplante und realisierte Geothermieanlagen (Stromerzeugung) in Mitteleuropa
	Geoth. Leistung in MW	Elektr. Leistung in MW	Temperatur in °C	Förderrate in m³/h	Bohrtiefe in m	Geplante Inbetriebnahme Jahr
Deutschland
Bremerhaven	0,5	0,065	90		5.000	stillgelegt
Groß Schönebeck	10	1,0	150	< 50	4.294	2008
Neustadt-Glewe	1,3–3,5	0,21	98	119	2.250	Im Kraftwerksbetrieb seit 2003
Bad Urach	6–10	ca. 1,0	170	48	4.500	stillgelegt
Bruchsal	4,0	ca. 0,5	118	86	2.500	2008
Karlsruhe	28,0		> 150	270	3.100
Landau	22	ca. 2,5	150	250	3.000	Im Kraftwerksbetrieb seit 2007
Insheim			>155		3.600	voraussichtlich 2010
Offenbach an der Queich	30–45	4,8–6,0	160	360	3.500	gestoppt wg. Bohrlochinstabilität
Riedstadt	21,5	ca. 3,0		250	3.100	2008
Speyer	24–50	4,8–6,0	150	450	2.900	2009
Unterhaching	> 30	3,4	122	> 540	3.577	2008 (Wärmelieferung seit 2007)
Sauerlach	ca. 80	ca. 8,0	130	> 600	> 4.000	2009
Dürrnhaar	ca. 50	ca. 5,0	130	> 400	> 4.000	2009
Mauerstetten	40	4,0–5,0	120–130	ca. 300	4.100	2009
Kirchstockach			130		> 4.000	2010
Österreich
Altheim (Oberösterreich)	18,8	0,5	105	ca. 300–360	2.146	Im Kraftwerksbetrieb seit 2000
Bad Blumau	7,6	0,18	107	ca. 80–100	2.843	Im Kraftwerksbetrieb seit 2001
Frankreich
Soultz-sous-Forêts[8]	12,0	2,1	180	126	5000	2008
Schweiz
Basel	17,0	6,0	200		5.000	vorübergehend eingestellt (Beben)
Quelle: Greenpeace 2000MW - sauber! + Aktualisierung

Staatliche Fördermaßnahmen

• Marktanreizprogramm zu Gunsten erneuerbarer Energien
• Programme der KfW
• Förderprogramme von Ländern und Kommunen

Konkrete Projekte

Nordrhein-Westfalen

• Hauptstadt der Geothermie in Nordrhein-Westfalen ist Bochum.

Das im Februar 2009 eröffnete GeothermieZentrum Bochum GZB („Büro für Geothermie der EnergieAgentur NRW“) an der Hochschule Bochum, welches geothermische Wirtschaft, Wissenschaft, Verwaltung und Öffentlichkeit vernetzt, soll durch ein GeoTechnikum auf dem Campus der Hochschule erweitert werden. Die nötigen 11 Millionen Euro dazu wurden bereits vom Land Nordrhein-Westfalen bewilligt.^[9]

• Die Hochschule Bochum bietet bundesweit den einzigen Masterstudiengang Geothermie an.
• Bericht in der TAZ über mehrere aktuelle Projekte in Nordrhein-Westfalen.[1]

Baden-Württemberg

• Erstes oberflächennahes Geothermienetz in March-Hugstetten, Kreis Breisgau-Hochschwarzwald

Nachdem Ende März 2007 zwischen der Gemeinde March und der EnBW ein entsprechender Vertrag geschlossen wurde, konnte Ende November 2008 das landesweit erste oberflächennahe Geothermienetz nach dem Prinzip der kalten Nahwärme im Neubaugebiet in Hugstetten in Betrieb genommen werden.

Technische Zahlen:

• versorgt werden sollen rund 100 Wohneinheiten (vom Reihenhaus bis zum Mehrfamilienhaus)
• Heizleistung 750 Kilowatt
• Heizenergie 1.600 Megawattstunden
• Förderleistung: maximal 150 Kubikmeter pro Stunde oder 42 Liter pro Sekunde
• Bau von 7 Entnahmebrunnen und zwölf Schluckbrunnen
• Netzlänge: 2,5 Kilometer

Die Schirmherrschaft hat die baden-württembergische Umweltministerin Tanja Gönner übernommen. Im Vorfeld wurde das Projekt von der Universität Karlsruhe hinsichtlich möglicher Auswirkungen auf andere Grundwassernutzungen wissenschaftlich begleitet.

Ökonomische Aspekte

Die geringe Nutzung der überall vorhandenen und vom Energieangebot her kostenlosen Geothermie liegt darin begründet, dass sowohl der Wärmestrom mit ≈ 0,06 Watt/m² als auch die Temperaturzunahme mit der Tiefe mit ≈ 3 K/100 m in den zugänglichen Teilen der Erdkruste, von besonderen Standorten abgesehen, so gering sind, dass eine Nutzung zu Zeiten niedriger Energiepreise nicht wirtschaftlich war. Durch das Bewusstwerden des CO₂-Problems und der absehbaren Verknappung der fossilen Energieträger setzte eine stärkere geologische Erkundung und technische Weiterentwicklung der Geothermie ein.

Da die eigentliche Energie, die Geothermie, kostenlos ist, wird die Wirtschaftlichkeit einer Geothermienutzung vor allem durch die Investitionskosten (Zinsen) und Unterhaltskosten der Anlagen bestimmt.

Unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen (Erneuerbare-Energien-Gesetz) ist eine Wirtschaftlichkeit bei größeren Geothermieanlagen auch in Deutschland in vielen Gebieten, wie z. B. in Oberbayern, Oberrheingraben und Norddeutsches Becken, erreichbar.

Grundsätzlich sind größere Geothermieanlagen (über 0,5 MW und mit einer Tiefe von mehr als 500 m) immer mit gewissen Fündigkeitsrisiken behaftet, da die tieferen Erdschichten eben nur punktuell und oft in geringem Ausmaß erkundet sind. Dabei lassen sich die anzutreffenden Temperaturen meist recht gut prognostizieren, die bei hydrothermalen Anlagen aber besonders relevanten Schüttmengen sind jedoch häufig nicht gut vorhersehbar. Neuerdings werden allerdings Risikoversicherungen dazu angeboten.

Die oberflächennahe Erdwärmenutzung für die Heizung von Gebäuden mittels einer Wärmepumpe ist bereits in vielen Fällen konkurrenzfähig. Wärmepumpenheizungen bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Erdwärmesonde(n) und einer Wärmepumpe bzw. mehreren parallel geschaltet. 2004 wurden in Deutschland etwa 9.500 neue Anlagen errichtet, 2006 waren es schon 28.000, der Bestand übersteigt 130.000. In der Schweiz waren es 2004 rund 4.000 neue Anlagen mit Erdwärmenutzung. Der Marktanteil in Deutschland ist im Gegensatz zu Ländern wie Schweden, der Schweiz oder Österreich jedoch noch gering.

Bei den Betriebskosten spielt die Beständigkeit der Anlagen gegen Verschleiß (z. B. bewegte Teile einer Wärmepumpe oder eines Stirlingmotors) eine Rolle. Bei offenen Systemen kann Korrosion durch aggressive Bestandteile im wärmetransportierenden Wasser entstehen (alle Teile in der Erde und die Wärmeübertrager). Diese früher bedeutenden Probleme sind heute jedoch technisch weitestgehend gelöst.

Ökologische Aspekte

Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit. Sie gehört somit zu den regenerativen Energiequellen, da ihr Potenzial sehr groß und nach menschlichem Ermessen unerschöpflich ist. Theoretisch würde allein die in den oberen 3 Kilometer der Erdkruste gespeicherte Energie ausreichen, um die Welt für etwa 100.000 Jahre mit Energie zu versorgen. Ein entscheidender Einfluss muss jedoch dem Wärmeträgerfluid (Wasser oder Dampf) beigemessen werden. Wird die Wärme über das Fluid im großen Maßstab dem Untergrund entzogen, so wird, in Abhängigkeit von den geologischen Rahmenbedingungen, regional mehr Wärme entzogen, als durch den natürlichen Wärmestrom zunächst "nachfließen" kann. So gesehen wird die Wärme zunächst "abgebaut". Nach Beendigung der Nutzung werden sich jedoch die natürlichen Temperaturverhältnisse nach einer gewissen Zeit wieder einstellen. Geothermie ist eine der wenigen erneuerbaren Energien, die bei der Stromerzeugung grundlastfähig ist. Sie leistet daher einen entscheidenden Beitrag bei der Gestaltung eines Energiemixes aus regenerativen Energien. Nach den Vorstellungen der Branche werden durch Geothermie bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen Kohlendioxid eingespart. Die Kosten für eine Tonne CO₂-Einsparung liegen bei etwa 70 € (Vergleich: Photovoltaik 2210 €).

Risiken

Kleinere, kaum oder nicht spürbare Erderschütterungen sind bei Projekten der tiefen Geothermie in der Stimulationsphase nicht ungewöhnlich. Diese können jedoch, wenn das Geothermieprojekt in einem Erdbebengebiet liegt, vorhandene Spannungen im Untergrund abbauen und dabei stärkere Erdstöße auslösen.

Dies war zum Beispiel bei dem Geothermieprojekt Deep Heat Mining Basel in Kleinhüningen im Großraum Basel/Schweiz der Fall: Seit dem 8. Dezember 2006 gab es im Abstand von mehreren Wochen bis zu einem Monat fünf leichte Erschütterungen mit abnehmender Magnitude (von 3,4 bis 2,9 auf der Richterskala).^[10][11][12] Dadurch entstand ein Schaden zwischen 3 und 5 Mio. Franken (ca. 1,8 bis 3,1 Mio. Euro),^[13] verletzt wurde niemand.

Inzwischen hat die Staatsanwaltschaft in Basel gegen den Geschäftsführer der Firma Geothermal Explorers Ltd. wegen Sachbeschädigung mit großem Schaden^[14] sowie der Verursachung eines Einsturzes^[15] Anklage erhoben.^[16]

Die Erde beruhigt sich nach derartigen Vorfällen meist nur langsam und es kommt oft zu einer ganzen Serie kleinerer Erdstöße. Über das weitere Vorgehen des Projektes ist noch nicht entschieden worden, zunächst sind alle verfügbaren Daten auszuwerten (Stand März 2007).

Bei der Förderung von Thermalfluiden (Wasser/Gas) stellen ggf. die Wasserinhaltsstoffe eine Umweltgefahr dar, falls das Fluid nicht reinjiziert wird. Die Reinjektion der Thermalfluide ist jedoch mittlerweile Standard.

Enthalten die durchströmten Erdschichten Sulfide, so kann giftiger Schwefelwasserstoff freigesetzt werden.

Im Bereich der oberflächennahen Geothermie gehört das Risiko, bei Nutzung eines tieferen Grundwasserleiters den trennenden Grundwassernichtleiter derart zu durchstoßen, dass ein die Grundwasserstockwerke verbindendes Fenster entsteht, mit der möglichen Folge nicht gewünschter Druckausgleiche und Mischungen. Bei einer ordnungsgemäßen Ausführung der Erdwärmesonde wird dies allerdings zuverlässig verhindert.

Im Zusammenhang mit Gebäudeschäden in der Stadt Staufen ist eine Diskussion um Risiken der (Oberflächennahen) Geothermie entbrannt. Dort hob sich innerorts der Boden an, so dass bis auf weiteres Schäden in zweistelliger Millionenhöhe entstanden.^[17] Ein Zusammenhang mit den Geothermiebohrungen, die niedergebracht wurden um das Rathaus zu beheizen, konnte weder nachgewiesen noch widerlegt werden. Untersuchungen dazu, ob vielleicht das Aufquellen von Anhydrit die Ursache sein könnte wurden inzwischen beauftragt. Obwohl Ergebnisse noch nicht vorliegen hat das Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau in Freiburg als Konsequenz empfohlen, bei Gips- oder Anhydritvorkommen im Untergrund auf Erdwärmebohrungen zu verzichten.^[18] Diese Vorgehensweise wird von Fachleuten als überzogen kritisiert ^[19] insbesondere da ganz geringe Mengen an Gips/Anhydrit bei etwa 2/3 der Fläche des Landes vorkommen können, deren genaue Verbreitung aber weitgehend unbekannt ist.

Siehe auch

• geothermische Tiefenstufe
• Meereswärmekraftwerk
• Wärmepumpenheizung
• Wärmepumpe
• Kältemaschine
• Wärmeleitung
• Erdwärmeübertrager
• Portal:Geowissenschaften
• Tunnelthermie

Literatur

Statistikquellen

• R. Bertini: World geothermal generation 2001-2005. World Geothermal Congress, Antalya 2005 (pdf, online).
• Imagekampagne: Unendlich viel Energie.
• J. Lund u.a.: World wide direct use of geothermal energy 2005. World Geothermal Congress, Antalya 2005 (pdf, online).
• R. Schellschmidt u. a.: Geothermal energy use in Germany. World Geothermal Congress, Antalya 2005 (pdf, online).
• V. Steffansson: World geothermal assessment. World Geothermal Congress, Antalya 2005 (pdf, online).
• J. Lund: Ground Heat - worldwide utilization of geothermal energy. Renewable Energy World, 2005.

Allgemeines

• C. Clauser: Geothermal Energy. In: K. Heinloth (Hrsg.): Landolt-Börnstein, Physikalischchemische Tabellen. Group VIII: Advanced Materials and Technologies. Bd 3. Energy Technologies, Subvol. C. Renewable Energies. Springer, Heidelberg/Berlin 2006, 480-595, ISBN 3-540-42962-X
• ORC Geothermie Ausführliche Beschreibung der ORC Technologie für geothermische Anwendungen
• Burkhard Sanner: Erdwärme zum Heizen und Kühlen. Potentiale, Möglichkeiten und Techniken der Oberflächennahe Geothermie. Kleines Handbuch der Geothermie. Bd 1. Red. B. Sanner, W., Bußmann. Geothermische Vereinigung, Geeste 2001 (3. überarb. Aufl.), ISBN 3-932570-21-9
• W.J. Eugster, L. Laloui (Hrsg.): Geothermische Response Tests. Verlag der Geothermischen Vereinigung, Geeste 2002, ISBN 3-932570-43-X
• Geothermische Vereinigung & GeoForschungsZentrum Potsdam (Hrsg.): Start in eine neue Energiezukunft. Tagungsband 1. Fachkongress Geothermischer Strom Neustadt-Glewe 12.-13. November 2003. Geothermische Vereinigung, Geeste 2003, ISBN 3-932570-49-9
• Ernst Huenges: Energie aus der Tiefe: Geothermische Stromerzeugung. in: Physik in unserer Zeit. Wiley-VCH, Weinheim 35.2004,6, S. 282–286, ISSN 0031-9252
• F. Rummel, O. Kappelmeyer (Hrsg.): Erdwär­me, Energieträ­ger der Zukunft? ‑ Fakten ‑ For­schung ‑ Zukunft/Geothermal Energy, Future Energy Source? ‑ Fact­s‑Research‑Futur. Unter Mitarbeit von J. Jesse, R. Jung, Fl. Rummel & R. Schulz. C.F. Mül­ler, Karlsruhe 1993, ISBN 3-7880-7493-0
• Michael Tholen, Dr. Simone Walker-Hertkorn: Arbeitshilfen Geothermie Grundlagen für oberflächennahe Erdwärmesondenbohrungen, Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn 2007, ISBN 978-3-89554-167-4
• Zeitschrift Geowissenschaften, Hefte 7+8 (1997, Sonderhefte mit dem Thema Geothermie)
• Zeitschrift Sonderheft bbr Oberflächennahe Geothermie, Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn Dezember 2008

Weblinks

• Geothermische Vereinigung - Bundesverband Geothermie e.V.
• International Geothermal Association (IGA)
• Geschichte der Geothermie
• Sachstandsbericht „Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland“ (2003, PDF)
• The Future of Geothermal Energy, MIT (pdf in Englisch, 14 MB)
• Erdwärme (UmweltWissen - Bayerisches Landesamt für Umwelt)
• Geothermie-Basisinfo des BINE Informationsdienstes des FIZ Karlsruhe

Einzelnachweise

1. ↑ MDR Artikel zur Verwendung von Erdkörben
2. ↑ NZZ Online: Stör als Frutigtaler Qualitätsprodukt
3. ↑ J. Lund: Ground Heat - worldwide utilization of geothermal energy. Renewable Energy World, 2005.
4. ↑ Intelligent die Wärme der Erde nutzen, Meldung des Deutschen GeoForschungsZentrums vom 26. Februar 2009
5. ↑ Oberflächennahe Geothermie - Übersichtskarte Bayern 1:200.000 (PDF 9,6MB) des Bayerisches Staatsministeriums für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz, siehe Umgebung von Ansbach.
6. ↑ Verzeichnis Geothermischer Standorte, www.geotis.de
7. ↑ http://www.geothermie.de/bad_urach2.htm
8. ↑ GEIE - Le programme Géothermie Soultz (französisch), abgerufen am 25. Juni 2008
9. ↑ RuhrNachrichten: Bochum wird Hauptstadt für Geothermie
10. ↑ Basler Zeitung: Erneut Erdbeben in Basel wegen Geothermieprojekt (nicht mehr aufrufbar)
11. ↑ Spiegel online: Erneut Erdbeben am Bohrloch von Basel
12. ↑ news.ch: Erneuter Geothermie-Erdstoss in der Region Basel
13. ↑ Basler Zeitung: Geothermie-Erdstösse: 3 bis 5 Millionen Franken Schaden
14. ↑ Art. 144 im 2. Buch des Strafgesetzbuches der Schweiz über Sachbeschädigung
15. ↑ Art. 227 im 2. Buch des Strafgesetzbuches der Schweiz über das Verursachen ... eines Einsturzes
16. ↑ NZZ Online: Anklage wegen Verursachung von Erdbeben
17. ↑ spiegel.de: Nach Erdwärme-Bohrung: Eine Stadt zerreißt
18. ↑ Staatsanzeiger Nr. 6 vom 20. Februar 2009, Seite 13
19. ↑ Modernisierungsmagazin 1-2, 2009, Seite 9