Regenerative Zukunft

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Geothermie

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… oder Erdwärme fasst die Nutzung der thermischen Energie von Luft, Wasser und vor allem Boden zusammen. Die Temperaturen im Erdkern betragen Schätzungen nach circa 5000 °C, die nach heutigem Kenntnisstand ihren Ursprung im fortwährenden Zerfall radioaktiver Elemente und aus der Zeit der Erdentstehung hat. Von diesem Erdkern wird die Wärme an die Erdoberfläche und letztendlich ein Vielfaches des globalen Energiebedarfs als Wärme in das Weltall abgestrahlt [1]. Die Erdwärme lässt sich entweder direkt zur Beheizung von Gebäuden, aber auch zur Kühlung oder Stromerzeugung nutzen. Im Folgenden werden die Verwendung und Entwicklung, die technischen Details, die Wirtschaftlichkeit und die Umwelteinflüsse der Erdwärmenutzung ausführlich diskutiert.

 

Verwendung und Entwicklung

Die Wärmestromdichte aus dem Erdkern ist mit rund 70 mW/m² an der Erdoberlfäche im globalen Mittel im Vergleich zur Sonneneinstrahlung von mehreren 100 W/m² relativ gering [2]. Bei der Geothermie wird der Umgebung, das heißt Boden, Wasser oder Luft thermische Energie entzogen und zur Raumheizung oder gar Stromgewinnung genutzt. Die Temperatur des Erdmantels nimmt mit zunehmender Tiefe immer weiter zu, in Deutschland im Durchschnitt um 30°C pro 1000 m Tiefe. In 3000 m Bohrungstiefe erreicht man somit Temperaturen um 100°C, die jedoch regional schwanken [3].

Generell wird in die tiefe Geothermie und die oberflächennahe Geothermie unterschieden. Bei letzterer werden Bohrungen bis in maximal 400 m Tiefe getrieben, die Temperatur beträgt dort maximal 25°C. Hier werden Wärmepumpen benötigt um das Temperaturniveau weiter anzuheben und somit Wasser für die Raumheizung auf die notwendige Vorlauftemperatur zu erhitzen. Bei der tiefen Geothermie hingegen wird die Wärme in 400 m bis 6000 m Tiefe entzogen, wobei hier nochmals in zwei verschiedene Arten unterschieden wird: Bei der hydrothermale Geothermie wird das heiße Wasser aus vorhandenen, tief gelegenen Wasseraquiferen an die Erdoberfläche gefördert. Die petrothermale Geothermie (Hot Dry Rock Systeme) hingegen presst das Wasser von der Erdoberfläche in das tiefe, heiße und trockene Gestein und entnimmt das darin erwärmte Wasser über ein zweites Rohr [3]. Liegen die Temperaturen des Wassers oberhalb von 100°C ist sogar die Stromgewinnung über spezielle Dampfturbinen möglich. Dies ist vor allem unter Verwendung der Kraft-Wärme-Kopplung sinnvoll.

 

Die hydrothermale Geothermie benötigt tief gelegene, heiße Wasserlagerstätten, daher ist diese Art von Energienutzung nicht überall möglich ist. Dies wird auch in Abbildung 1 deutlich, in der die geeigneten Standorte für oberflächennahe, hydrothermale und petrothermale Geothermie innerhalb Deutschlands aufgezeigt sind. Petrothermale Geothermie ist generell nahezu überall möglich, jedoch vor allem an Stellen sinnvoll, an denen schon in geringeren Tiefen hohe Temperaturen erreicht werden (rote Bereiche). Oberflächennahe Geothermie hingegen benötigt nur ein Wärmereservoir geringerer Temperatur, was auch Luft, Grundwasser oder der Boden der Erdoberfläche sein kann. Somit ist diese Art der Geothermie überall nutzbar. Die bisher häufigste Nutzung der Erdwärme ist jedoch die Verwendung in Thermalbädern, vor allem in Süddeutschland (Abbildung 2). In Abbildung 2 sind auch drei geothermische Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerke mit ihren Charakteristika dargestellt.

 

 

Die Wärmemenge geothermischer Lagerstätten ist generell begrenzt. So muss darauf geachtet werden, dass nur so viel Wärme aus der Lagerstätte entnommen wird wie deren Umgebung wieder ausgleichen kann. Ist der entnommene Wärmestrom größer, kommt es zu einer Absenkung der Lagerstättentemperatur bis hin zu einem Versiegen der Wärmequelle. Je nach Standort kann es in tiefen Reservoir Jahrhunderte dauern, bis es zu einer vollständigen Regeneration kommt [2]. Im Vergleich zu den übrigen erneuerbaren Energien ist dies ein langer, bezogen auf den Bildungszeitraum fossiler Energierohstoffe jedoch ein kurzer Zeitraum. Daher zählt die Geothermie einerseits zu den regenerativen Energiequellen, andererseits aber auch zu den abbaubaren Ressourcen.

Da die Bodentemperatur das ganze Jahr über relativ konstant ist, ist auch die Wärme- und Stromgewinnung aus Kraftwerken tiefer Geothermie konstant und nicht fluktuierend, wie bei Wind oder Sonne. Somit kann diese Technologie den Grundlaststrom erzeugen oder gar als Regelkraftwerk für Wind- und Solarenergienutzung.

 

 

Die Nutzung der Geothermie in Deutschland steigt in den letzten Jahren immer weiter an, vor allem die direkte Nutzung der Wärme (Abbildung 3). Die installierte Stromerzeugungskapazität hingegen betrug 2008 nur 6,6 Megawatt mit einer erzeugten Strommenge von 18 Gigawattstunden [1]. Zum Vergleich: Eine typische Binnenland-Windkraftanlage hat eine typische Leistung von 2 Megawatt. Zur dezentralen Wärmenutzung hingegen wurden in Deutschland allein im Jahr 2008 über 30.000 Wärmepumpen installiert [1]. Die gesamte von Geothermieanlagen bereitgestellte Wärmemenge betrug 2008 46.000 Megawattstunden [1]. Der Anteil der Geothermie am Primärenergieverbrauch Deutschlands ist jedoch dennoch verschwindend gering.

 

 

Der Anteil der globalen Geothermienutzung am Primärenergieverbrauch ist mit 0,4% zwar sehr gering, jedoch nach Biomasse und Wasserkraft der dritt höchste erneuerbare Primärenergieträger, vor der Windkraft- und Solarenergienutzung (Abbildung 4). Die weltweite Entwicklung der Geothermie ist in Abbildung 5 dargestellt und wächst sowohl für die Stromgewinnung als auch für die Direktwärmenutzung seit 1995 stetig an. Der wesentlich stärkere Anstieg der Wärmenutzung geht auf die vermehrte Installation von Wärmepumpen zurück, also der oberflächennahen Geothermie. Geothermische Stromkraftwerke werden vor allem in Regionen errichtet, in denen durch geologische Gegebenheiten schon in geringen Tiefen hohe Temperaturen von 300°C erreicht werden.

 

In Abbildung 5 ist zudem die weltweite Verwendung der geothermischen Energie für Wärmezwecke in die einzelnen Nutzungsbereiche aufgeteilt. Über die Hälfte wird dabei für Heizzwecke mittels Wärmepumpen verwendet, über 15% für den Bäderbetrieb und 15 % für die direkte Raumheizung mittels tiefer (“heißer”) Geothermie. Zudem wird Geothermie zum Beheizen von Gewächshäusern und zur Fischzucht genutzt. Im weltweiten Vergleich ist ein Großteil der geothermischen Leistung in Nordamerika, Asien und Europa installiert. Abbildung 6 zeigt die installierte Leistung der geothermischen Stromproduktion und der Wärmenutzung der 17 größten Nutzerländern. Mit einer installierten Leistung von 2500 MWel zur Stromerzeugung und 7817 MWth zur Direktwärmenutzung heben sich die USA als weltweit größter Nutzer geothermischer Energie deutlich von den anderen Ländern ab [2]. Es folgt Schweden, China und Indien, die diese jedoch fast ausschließlich zur Wärmegewinnung nutzen. Deutschland belegt hier nur Rang 15 und nutzt fast ausschließlich die oberflächennahe Geothermie mittels Wärmepumpen.

Strom wird generell vor allem dort erzeugt, wo durch geologische Anomalien schon in vergleichweise geringen Tiefen hohe Temperaturen von bis zu 350°C erreicht werden [2]. Während 1975 nur zehn Staaten geothermisch Strom erzeugten, war dies im Jahre 2005 schon in über 20 Staaten der Fall. Die Strommenge die im Jahr 2005 durch Geothermie erzeugt wurde, betrug knapp 57.000 GWh/Jahr, was etwa 0,4 % des weltweiten jährlichen Stromverbrauchs entspricht [2]. Generell wird in allen Teilen der Erde die Geothermienutzung stark vorangetrieben, was ausführlich in der Energierohstoffstudie des BGR geschildert wird.

 

 

Technologie

 

Tiefengeothermie:

Bei der Tiefengeothermie wird die Erdwärme tieferer Erdschichten (größer 1000 m) in Wärme- oder Strom-Wärme-Kraftwerken direkt genutzt. Die Temperaturen des geförderten erwärmten Wassers betragen zwischen 60°C und 350°C. Hochenthalpielagerstätten werden vor allem zur Stromerzeugung verwendet. Diese bestehen aus bis zu 350°C heißem Wasser oder Wasserdampf, die in vergleichsweise geringeren Tiefen anzutreffen sind. Solch hohe Temperaturen in nur wenige 1000 m Tiefe sind oft stark korreliert mit vulkanisch aktiven Regionen an denen es zu positiven Anomalien der Wärmeschichtung kommt. Außerhalb dieser Anomalien sind vor allem Niederenthalpielagerstätten zu finden. Hierfür sind tiefe Bohrungen nötig um Temperaturschichten von bis zu 100 °C zu erreichen, da hier eine schwächere Temperaturschichtung von durchschnittlich 3°C pro 100 Metern Bohrtiefe vorherrscht. Diese Lagerstätten werden vor allem zur direkten Wärmenutzung verwendet, bei Temperaturen über 100°C teilweise auch zur Stromerzeugung.

 

  • a) Hydrothermale Geothermie

Bei der hydrothermalen Geothermie werden tief unter der Erdoberfläche mit heißem Thermalwasser gefüllte Aquifere genutzt. Damit das Wasser eine hohe Temperatur aufweist, werden Bohrtiefen von meist mehr als 2000 m benötigt. Das Thermalwasser wird hierbei mit Rohrbohrungen an die Oberfläche gepumpt. Da das Thermalwasser meist sehr mineralienhaltig ist, kann es jedoch meist nicht oberirdisch entsorgt werden, sondern wird meist über eine zweite Bohrung wieder in das Wasseraquifer zurück gepumpt. Die genaue Funktionsweise ist in Abbildung 7 dargestellt. Soll mit dem geförderten heißen Wasser auch Strom erzeugt werden, sollte dieses mindestens 100°C warm sein [5]. Während solch hohe Temperaturen in Deutschland jedoch meist nur in 4000 m Tiefe erreicht werden, können diese in Teilen Italiens und Island schon aus wesentlich geringeren Tiefen gefördert werden [5]. In Deutschland wird die hydrothermale Geothermie daher vor allem für Thermalbäder, zur Gebäudeheizung oder zur Kühlung genutzt. Temperaturanomalien der Erdkruste gibt es jedoch natürlich auch in Deutschland. So werden im Oberrheingraben durch aufsteigende Grundwasserschichten bereits in 1000 m Tiefe Temperaturen über 100 °C erreicht [2]. Abbildung 1 zeigt zudem, dass nur in einigen Regionen Deutschlands Thermalwasseraquifere existieren und somit die hydrothermale Geothermie vor allem auf Norddeutschland und Teile Süddeutschlands beschränkt bleibt.

Weist das geförderte Wasser Temperaturen von mindestens 100°C auf, kann damit in einem Dampfkraftwerk wirtschaftlich Strom erzeugt werden. Dazu werden jedoch spezielle Turbinenarten benötigt, die durch Flüssigkeiten mit einem niedrigeren Siedepunkt, wie Amoniak betrieben werden. Diese sogenannten Organic-Rankine-Cycle (ORC) Turbinen weisen jedoch bisher nur einen Wirkungsgrad von 8-12% auf, so dass hier noch einiges an Forschungsbedarf besteht [5]. Somit ist auch für diesen Kraftwerkstyp die Kraft-Wärme-Kopplung sehr sinnvoll, wobei die restliche Wärme, die nicht zur Stromerzeugung nutzbar ist, in das Nahwärmenetz eingespeist werden kann. In Abbildung 2 sind drei Geothermiekraftwerke in Deutschland mit ihren Kenndaten aufgelistet.

 

  • b) Petrothermale Geothermie (Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR))

    Heiße Gesteinsschichten in mehreren tausend Metern Tiefe mit sehr geringer Durchlässigkeit für Wasser werden “heiße trockene Gesteine” genannt. Für eine effektive Nutzung der gespeicherten Wärme ist der Einsatz besonderer Erschließungsmethoden, der sogenannten Hot-Dry-Rock (HDR)-Technik, notwendig. Bei dieser Technik wird Wasser über Bohrungen unter hohem Druck direkt in das bis zu 180°C heiße (meist kristalline) Gestein in 2000 m bis 6000 m Tiefe gepresst [3]. Dadurch werden kleine Risse im Gestein aufgeweitet. Durch ein zweites Rohr wird das nach unten gepresste Wasser, das durch das heiße Gestein erwärmt wurde, nach oben gefördert und im Heizkraftwerk oder Strom-Wärme-Kraftwerk genutzt. Die bisher größte Herausforderung dieser Technik besteht in der Herstellung genügend durchlässiger Wasserflussverbindungen zwischen den Bohrungen und deren Aurechterhaltung. Das Potenzial der petrothermalen Geothermie ist im Vergleich zur hydrothermalen wesentlich höher, da hier keine mit Thermalwasser gefüllte, tiefliegende Aquifere notwendig sind. 95 % des geothermischen Potenzial Deutschlands werden der petrothermalen Geothermie zugeschrieben [5]. Zur Stromerzeugung kommen auch hier spezielle Organic-Rankine-Cycle (OCR) Dampfturbinen zum Einsatz, die schon ab 100°C in der Lage sind Strom zu generieren [5]. Diese wurden schon im Abschnitt a) diskutiert. Auch dieses Kraftwerk kann als Grundlastkraftwerk betrieben werden. Jedoch sollte berücksichtigt werden, dass durch das OCR-Verfahren nur 1/10 der Wärme in Strom umgewandelt werden kann. Somit ist die Restwärmenutzung durch ein Wärmeverteilungsnetz an Haushalte und Industrie sinnvoll. Wenn kaum Heizenergie benötigt wird, geht somit jedoch viel von der aus der Erde geförderten Energie an die Umwelt verloren. Bei dieser Technologie besteht noch einiges an Forschungsbedarf, vor allem um den Wirkungsgrad der OCR-Dampfturbinen zu verbessern und um die Porösität im Gestein für einen besseren Wassertransport zu erhöhen.

 

  • c) Tiefe Erdwärmesonden

    Doppelrohrerdwärmesonden sind nichts anderes als 2 Rohre, die so verbunden sind, dass sie einen geschlossenen Kreislauf bilden. Diese Erdwärmesonden werden meist für die oberflächennahe Geothermie verwendet. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit sie in noch wesentlich größere Tiefen einzubringen. Angestrebt ist es dabei schon vorhandene, nicht mehr benötigte Tiefbohrungen, beispielsweise aus der ehemaligen Erdgasförderung, zu nutzen. Diese Sonden werden dann in die mehr als 1000 m tiefe Bohrungen eingeführt. Das Wasser wird dabei in einem Sondenrohr nach unten gepumpt, erwärmt sich durch das umliegende heiße Gestein, und fließt im gegenüberliegenden Rohe wieder hoch, da beide Röhren am Ende miteinander verbunden sind. An der Erdoberfläche kann dann das heiße Wasser wie schon unter a) und b) beschrieben genutzt werden. Das technische Wärmepotenzial beträgt 800 Milliarden Kilowattstunden [5].

 

Oberflächennahe Geothermie / Wärmepumpen:

Auch die oberflächennahe Geothermie nutzt die Erdwärme, jedoch höchstens die der obersten 400 m Erdkruste, inklusive Luft, Oberflächen- und Grundwasser und Erdreich. Sie kann daher nahezu überall eingesetzt werden. Hierbei spielt bis in etwa 20 m Tiefe die Sonneneinstrahlung eine entscheidende Rolle. Die Wärmestrahlung der Sonne ist an der Erdoberfläche um ein Vielfaches höher als der Wärmestrom aus dem Erdinneren [2]. Die durch die Sonneneinstrahlung verursachte jahreszeitliche Änderung der Bodentemperatur Temperatur reicht jedoch meist nur 20 m in den Untergrund, Klimavariationen jedoch dringen weit tiefer ein.

Da bei der oberflächennahen Geothermie jedoch nur Boden-, Wasser- oder Lufttemperaturen unter 20°C genutzt werden können, ist es nicht möglich ein Wärmeträgermedium direkt zu erwärmen um damit Gebäude zu beheizen oder gar ein Kraftwerk zu betreiben. Um dies zu ermöglichen wird das Prinzip der Wärmepumpe genutzt. Diese ist an sich ein Zwitter zwischen effizienter Energienutzung und erneuerbarer Energieform. Der Grund dafür ist, dass die Wärmepumpe zur Wärmeerzeugung einen erheblichen Anteil Fremdenergie, meist Strom benötigt. Dieser Anteil beträgt je nach Umgebungsbedingungen immerhin 1/4 bis 1/2 der bereitgestellten, nutzbaren Wärme. Die Wärmepumpe an sich funktioniert im Prinzip wie ein umgekehrter Kühlschrank. Sie entzieht der kühleren Umgebung (Erde, Wasser, Luft) Energie um das Temperaturniveau des Heizwassers zu erhöhen und somit Gebäude zu beheizen.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist in Abbildung 8 veranschaulicht. Eine Flüssigkeit, z.B. ein herkömmliches Kältemittel oder Propan, wird in einem geschlossenen Kreislauf mit unterschiedlichen Drücken geführt. Bei niedrigem Druck nimmt diese Flüssigkeit, das sogenannte Arbeitsmedium, im Verdampfer (3 in Abb. 8) die Wärme aus der Umgebung (meist circa 10°C) auf. Dann wird sie mit einer Pumpe (Kompressor (4) in Abb. 8) auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht. Im Kondensator (1 in Abb. 8) gibt das Arbeitsmedium die Wärme an den Heizkreislauf ab und kühlt sich dabei ab. Ein Drosselventil (2 in Abb. 8) senkt den Druck, die Temperatur fällt weiter ab, das Arbeitsmedium kann dann wieder dem Verdampfer zugeführt werden. Beim Kühlschrank kommt das gleiche Prinzip zur Anwendung, nur dass an die Stelle der Wärmequelle das Kühlfach und an die Stelle des Heizkörpers der Wärmetauscher tritt, welcher sich beim Kühlschrank auf der Rückseite findet [Absatz aus BMU, Erneuerbare Energien - Innovationen für die Zukunft, 2004 [5]].

 

 

Es gibt verschiedene technische Ausführungen von Wärmepumpen. Am weitesten verbreitet sind so genannte Kompressionswärmepumpen. Kleinwärmepumpen zur Brauchwassererwärmung und Heizung von Einfamilienhäusern werden meist von Elektromotoren angetrieben, größere Anlagen auch von Gasmotoren. Diese Gasmotoren, die konventionellen Verbrennungsmotoren gleichen, haben den Vorteil eines hohen primärenergetischen Wirkungsgrades, außerdem kann mit dem Kühlwasser des Motors die Heizungstemperatur weiter angehoben werden. Allerdings sind die spezifischen Investitionskosten wie auch der Betriebs- und Wartungsaufwand gemeinhin höher. An der Entwicklung von gasmotorisch betriebenen Wärmepumpen kleiner Leistung wird gearbeitet [Absatz aus BMU, Erneuerbare Energien - Innovationen für die Zukunft, 2004 [5]].

Neben der Kompressionswärmepumpe gibt es noch zwei andere Typen von Wärmepumpen, die jedoch weniger verbreitet sind und eher für den Industriegebrauch bestimmt sind. Die Absorptionswärmepumpen werden in der Industrie häufig zur Nutzung von Abwärme eingesetzt. Dieser Typ von Wärmepumpen nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten oder Gase und verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird dabei im Kältemittel wiederholt gelöst oder ausgetrieben. Die Adsorptionswärmepumpe arbeitet mit einem Lösungsmittel in Festform an dem das Kältemittel ad- oder desorbiert, also angelagert oder abgelagert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen.

Als Wärmereservoir können verschiedene Medien genutzt werden. Am häufigsten wird direkt die Wärme der Umgebungsluft genutzt, da dies den geringsten Installationsaufwand darstellt. Jedoch tritt hier das Problem auf, dass Zeiten großen Heizbedarfs oft mit Zeiträumen kalter Umgebungsluft zusammen fallen. Somit ist diese Art von Anlage im Sommer am effizientesten, wenn die Umgebungsluft warm ist, jedoch wird zu dem Zeitpunkt die Wärme nur zur Warmwasseraufbereitung benötigt. Insofern arbeiten solche Anlagen vor allem dann effektiv wenn nicht die direkte Außenluft als Wärmequelle genutzt wird, sondern Abwärmeluft, zum Beispiel von einem industriellen Prozess. Als sogenannte Erdwärmepumpen werden Systeme bezeichnet, die ihre thermische Energie aus dem Erdboden nehmen. Dieser weist in eigenen Metern Tiefe eine nahezu konstante Temperatur von circa 8°C auf. Somit ist die Temperaturdifferenz zwischen beheizten Räumen und Umgebung geringer, was eine effizientere Arbeitsweise der Wärmepumpe mit sich führt. Nachteilig ist bei diesem System jedoch, dass Erdarbeiten notwendig sind um die Rohre mit dem Wärme aufnehmenden Arbeitsmedium zu verlegen. Diese Rohre können auf zwei Arten verlegt werden: Entweder horizontal in 1-2 Meter Tiefe in der Umgebung der Gebäude (zum Beispiel Garten), wobei die Fläche des Rohrnetzwerkes mindestens das 1 bis 1,5 fachen der zu beheizenden Wohnungsfläche entsprechen sollte um dem Boden nicht zu viel Wärme zu entziehen [5]. Oder Erdwärmesonden, bei denen Rohrleitungen vertikal in bis zu 150m tiefen Bohrlöchern verlegt werden um genug Austauschfläche mit dem Boden zu gewährleisten. Ersteres eignet sich hervorragend bei einem Hausneubau, zweiteres hingegen ist kostenintensiver und sollte vor allem dann in Betracht gezogen werden, wenn nicht genügend Fläche zur Verfügung steht. Zudem wird hierbei eine wasserrechtliche Genehmigung benötigt. Eine andere elegante Lösung ist direkt die direkte Nutzung des Grundwassers als Wärmeträgermedium, das 8°C bis 15°C aufweist. Jedoch ist auch dieses genehmigungspflichtig. In Abbildung 9 ist exemplarisch ein Wärmepumpensystem mit Erdwärmesonden gezeigt.

Alle Wärmepumpensysteme die nicht die Umgebungsluft nutzen haben den Charme, dass sie im Sommer auch zur Gebäudekühlung verwendet werden können. Dazu wird einfach das Wärmeträgermedium durch das im Vergleich zur heißen Umgebungsluft kühlen Erdboden gepumpt ohne die Wärmepumpe in Betrieb zu nehmen. Dieses kühlt dann den Heizwasserkreislauf ab und kühlt somit die Räume.

Um Wärmepumpen mit möglichst wenig Fremdenergie betreiben zu können, ist es wichtig, den Temperaturunterschied zwischen Wärmereservoir (Umgebung) und Heizungswärme so gering wie möglich zu halten. Dies ist möglich indem man Heizungssysteme nutzt, die mit geringen Vorlauftemperaturen arbeiten, wie Fußbodenheizung, Wandheizungen oder Warmluftheizungen. Normale Vorlauftemperaturen wie sie für den Heizwasserkreislauf von normalen Heizkörpern benötigt werden, sind energetisch eher ungünstig und erhöhen den Anteil an nötiger Fremdenergie um 1% pro 1°C höherer Vorlauftemperatur [5].

 

 

Reicht die Wärmepumpe allein aus um den kompletten Heizbedarf des Haushalts zu decken, spricht man von einer monovalenten Betriebsweise. Meist werden jedoch zur Verringerung der Investitionskosten kleinere Wärmepumpenleistungen installiert als der Haushalt im höchsten Bedarfsfall (der sehr selten eintritt) benötigt und auf eine Zufeuerung gesetzt. Dann spricht man von bivalentem Betrieb und es wird für den Spitzenverbrauch entweder eine normale Erdöl-, Erdgas- oder Biomasseheizung zugeschalten oder sogar eine zusätzliche elektrische Heizung gewählt. Letztere hat den Vorteil, dass kein zweites Heizungssystem (Erdöl, Erdgas, Holz) und folglich auch keine Schornsteine benötigt werden.

Letztendlich wird der Betrieb von elektrisch betriebenen Wärmepumpen immer umweltfreundlicher, je mehr Strom aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird.

 

 

Wirtschaft

Bei allen erneuerbaren Energien fallen die größten Kosten als Investitionskosten zur Anlagenerrichtung an, bei den fossilen Kraftwerken hingegen sind die Kosten vor allem durch die Brennstoffkosten dominiert. Auch bei der Geothermie ist dies der Fall, sei es für die notwendigen Bohrungen bei der tiefen Geothermie oder bei der Errichtung von Wärmepumpen für den Privathaushalt.

 

Tiefe Geothermie:

Bei der tiefen Geothermie werden die größten Investitionskosten durch die notwendige Bohrung in tiefe Gesteinsschichten verursacht. So kostet eine Bohrung in 5000 m Tiefe circa 4 Millionen Euro [5].

Das größte Nutzungspotenzial wird vor allem der petrothermalen Geothermie zugeschrieben. Für Kraftwerke werden je nach Bohrtiefe Investitionskosten von 2500 bis 5000 € je Kilowattstunde installierter elektrischer Leistung angegeben [5]. Unter der Annahme, dass dieses Kraftwerk als Grundlastkraftwerk mit 8000 Vollaststunden (das Jahr hat 8760 h) arbeitet, entspricht dies Stromgestehungskosten von 7-15 Cent/kWh [5]. Jedoch geht in Zeiträumen geringen Wärmebedarfs viel Wärmeenergie an die Umweltm verloren, da die ORC-Turbinen nur 1/10 der Wärme in Strom umwandeln können. Hier besteht also noch Forschungsbedarf, damit diese Kraftwerke vor allem im Sommer effizienter betrieben werden können.

Bei der hydrothermalen Geothermie werden tiefe Thermalwasseraquifere im Erdreich vorausgesetzt. Da dies in Deutschland nur an wenigen Standorten in sinnvollen Tiefen der Fall ist, wird dieser Art ein kleineres Nutzungspotenzial zugeschrieben. In Deutschland wird die hydrothermale Geothermie daher meist nur für Heizzwecke genutzt. Die Investionskosten für Heizkraftwerke mit einer Leistung von 3 bis 30 Megawatt beträgt je nach Bohrtiefe zwischen 400 € bis 1000 € pro Kilowattstunde installierter thermischer Leistung [5]. Hinzu kommt natürlich noch die Investition in ein Wärmeverteilungsnetz. Unter der Annahme des Wärmebedarfs von Privathaushalten von 2500 bis 3000 Vollaststunden wird in diesen geothermischen Heizkraftwerken Wärme für 2 bis 4 Cent pro kWh erzeugt [5]. In Zeiträumen von geringem Wärmebedarf ist dieses Kraftwerk jedoch nicht ausgelastet und kann somit in dem Zeitraum auch kaum Gewinne erzielen.

Lukrativ ist zudem die Verwendung von tiefen Erdwärmesonden, die in schon vorhandene, nicht mehr benötigte, tiefe Bohrlöcher eingeführt werden. Das Wasser wird dann im geschlossenen Kreislauf vom heißen Gestein erwärmt und an der Oberfläche in Heizkraftwerken genutzt. Abhängig davon, ob ein bereits vorhandenes Bohrloch genutzt werden kann oder nicht, liegen die Wärmegestehungskosten zwischen 8 und 10 Cent/kWh für Gebäudeheizung (angenommene Vollaststundenzahl 2.000 h/a) beziehungsweise bei 3 bis 5 Cent/kWh für industrielle Prozesswärmenutzung (Vollaststundenzahl 5.000 h/a) [5].

Oberflächennahe Geothermie:

Im Gegensatz zur tiefen Geothermie wird die oberflächennahe vor allem zur Raumheizung in Haushalten genutzt. Hierfür werden Wärmepumpen genutzt, die unter Zuführung von Fremdenergie, beispielsweise Strom, die thermische Energie der Umgebung nutzen um das Heizungswasser zu erwärmen. In Deutschland waren im Jahr 2008 circa 350.000 Wärmepumpen in Betrieb, wobei kanpp 50% der neu installierten Anlagen die Wärme der Umgebungsluft nutzen [3].

Wie schon diskutiert gibt es neben der energetisch ungünstigsten Möglichkeit die Wärme der Umgebungsluft zu nutzen auch die Möglichkeit die Wärme des Bodens in einigen Metern Tiefe zu entziehen. Letzteres ist energetisch günstiger, da die Temperatur des Bodens das ganze Jahr über relativ konstant bei 8°C bleibt während die Umgebungsluft genau dann am kältesten ist, wenn die meiste Heizenergie benötigt wird. Zudem kann im Sommer mit Erdwärmepumpen gekühlt werden, da der Boden im Sommer kühler ist als die heiße Außenluft. Das Luft-Wärmepumpen trotzdem weiter verbreitet sind und ökonomisch mithalten können liegt an den hohen Erdarbeitkosten für die notwendigen Leitungen im Erdboden. Typische Investitionskosten für eine Wärmepumpenheizungsanlage sind 500-1000€ pro installiertem Kilowatt Heizleistung [5]. Hinzu kommen bei der Erdwärmenutzung noch 250-500€/kW für einmalige Erdarbeiten zum Verlegen der Leitungen. Somit ergeben sich 7.500 bis 15.000€ Gesamtinvestitionskosten für ein durchschnittliches Einfamilienhaus [5]. Hinzu kommen noch die Stromkosten, die zum Betrieb der Wärmepumpen aufkommen, wobei es jedoch von vielen Stromanbietern Sondertarife gibt. Die Wärmegestehungskosten werden demnach auf 6 bis 10 Cent pro Kilowattstunde geschätzt [5]. Hier sind aber noch nicht die Kosten enthalten, die für den Umbau des Heizungssystems auf niedrigere Vorlauftemperaturen notwendig wären um die Effizienz der Anlage zu erhöhen. Letztendlich lohnt sich Geothermie vor allem bei einem Hausneubau, da ohne großen Aufwand die Rohre für das Wärmeträgermedium im Garten verlegt werden können und das ganze Haus mit einem Heizungssystem mit niedrigeren Vorlauftemperaturen ausgestattet werden kann.

 

 

Umwelteinflüsse

Der Ausbau der erneuerbaren Energien wird vor allem durch den anthropogenen Klimawandel vorangetrieben. Auch die Geothermie weist einen geringen Treibhausgasausstoß auf, vor allem im Vergleich zur Verbrennung von fossilen Energieträgern, wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Jedoch ist auch diese Art der Wärme- oder Strombereitstellung keineswegs CO2-neutral. Bei der tiefen Geothermie, welche die Erdwärme direkt nutzt, ist vor allem die meist mehrere 1000 m tiefe Bohrung sehr energieintensiv. Diese Bohrung wird meist durch Maschinen, welche die Verbrennung fossiler Brennstoffe nutzen, vorangetrieben. Daher wird für die Stromerzeugung durch tiefe Geothermienutzung ein durchschnittlicher CO2-Ausstoß von circa 40 g pro erzeugter thermischer Kilowattstunde angegeben [6].

Bei der oberflächennahen Geothermie hingegen ist eine solche Angabe weitaus schwieriger und hängt vor allem von der Arbeitszahl und vom Strommix ab mit der die Wärmepumpe betrieben wird. Wird zum Betrieb der Wärmepumpe 100% Ökostrom genutzt, ist der CO2-Ausstoß vernachlässigbar gering. Wird jedoch der normale in Deutschland übliche Strommix mit großem Anteil fossiler Primärenergieträger verwendet, ist dieser wesentlich höher. In dem Fall hängt er auch sehr stark davon ab, wie effizient die Wärmepumpe läuft, das heißt wie viel Strom sie als Fremdenergie benötigt um eine gewisse Wärmemenge bereitzustellen. Dies hängt vor allem davon ab, ob die Wärmepumpe mit der kalten Umgebungsluft (im Winter) oder über Wasser in Erdwärmesonden erwärmt wurde.

Insgesamt ist die Einsparung an Primärenergie, die sich mit strombetriebenen Wärmepumpensystemen erzielen lässt, jedoch relativ gering. Im Allgemeinen erreichen sie meist nur Leistungszahlen zwischen 3 und 4 [2]. Das bedeutet, dass mit jeder Einheit elektrischer Leistung, die für die Wärmepumpen benötigt wird, 3 bis 4 Einheiten thermischer Leistung gewonnen werden. Berücksichtigt man nun die Wirkungsgrade der fossilen Kraftwerke von unter 50 %, die den meisten Strom im deutschen Strommix erzeugen, weisen Wärmepumpen meist nur Leistungszahlen zwischen 1 und 2 auf. Das heißt aus einer Einheit Primärenergie erhält man nur 1 bis 2 Einheiten Wärme [2]. Die Bilanz fällt positiver aus, wenn man gasbefeuerte Wärmepumpen nutzt. Die beste Bilanz jedoch erhält man auch hier natürlich für elektrische Wärmepumpen, die mit Strom aus 100 % erneuerbarer Energien hergestellt wurden.

Ein weiteres Argument für die Nutzung der Wärmepumpen und der tiefen Geothermie ist der geringe Schadstoffausstoß (z.B. Feinstaub und Stickoxide) für die Heizung im Vergleich zur Verbrennung von Erdöl, Erdgas, Holz oder Kohle. Das würde sogar für elektrische Wärmepumpen gelten, deren Strom nur aus Braunkohlekraftwerken bereitgestellt wird. Der Grund ist die wesentlich bessere Filtertechnik im Großkraftwerk im Vergleich zu der in dezentralen Gebäudeheizungen. Auch hier ist natürlich die Verwendung von Ökostrom zum Antrieb der Wärmepumpe die ökologisch beste Variante.

Bei der Geothermienutzung ist es wichtig darauf zu achten, dass das Wärmereservoir des Bodens endlich ist. Da der Boden und trockenes Gestein schlechte Wärmeleiter sind, gibt es eine Limitierung bei der möglichen nutzbaren Erdwärmemenge. Dies kann schon kritisch werden, wenn mehrere Häuser in einer Siedlung Erdwärmepumpsysteme verwenden. Dabei kann es zur Abkühlung des Erdbodens kommen, was einen ineffizienteren Betrieb der Wärmepumpe oder bei tiefer Geothermie des Kraftwerkes mit sich führt. Je nach Standort kann es in tiefen Reservoir Jahrhunderte dauern, bis es zu einer vollständigen Regeneration kommt [2].

Eine verlässliche Bewertung der Risiken welche durch Bohrungen und Betrieb tiefer Geothermieanlagen hervorgerufen werden, ist aus mangelnder Erfahrung und Wissen nur begrenzt möglich. So ist es derzeit auch umstritten, ob stärkere Erdbeben durch Geothermie ausgelöst werden können. Bei einem Geothermieprojekt in der Nähe von Basel traten 2006 im Abstand von mehreren Wochen leichte Erschütterungen mit Magnituden von 2,9 bis 3,4 auf. Dadurch soll ein Schaden von circa 2 Millionen Euro entstanden sein [7]. Das Vorhaben wurde daraufhin nicht weiter fortgesetzt. Es gab auch bei anderen Geothermieprojekten Erdstöße, jedoch bisher nie stärkere. Die Ursachen sind vielseitig, jedoch bisher noch nicht vollständig verstanden.

Ein letzter Aspekt betrifft die Hebung beziehungsweise Senkung des Erdbodens durch Bohrungen für geothermische Wärmenutzung. In der Stadt Stauffen nahe Freiburg traten 2008 nach dem Bohren für mehrere Erdwärmesonden erhebliche Hebungen von bis zu 20 cm im bebauten Stadtgebiet auf. Über 200 Häuser wurden dabei teilweise erheblich beschädigt. Es wird vermutet, dass das Wasser mit im Erdboden vorkommenden Anhydrit (wasserfreier, dehydrierter Gips) reagiert hat [7]. Dieses hat sich dann zu Gips umgewandelt und dabei ausgedehnt.

 


Zusammenfassung Geothermie – Pro und Contra

 

Pro

Contra

  • geringer Treibhausgasausstoß für tiefe Geothermie
  • keine endlichen Energierohstoffe nötig wie bei den fossilen Energieträgern und der Kernenergie

  • tiefe Geotthermienutzung nicht fluktuierend wie Sonne und Wind

  • Elektrisch betriebene Wärmepumpen in Kombination mit Strom aus erneuerbaren Energien sind eine der besten Möglichkeiten für ökologische Gebäudeheizungen
  • Wärmepumpen in nahezu jedem Haushalt installierbar

  • Risiken der notwendigen Bohrungen noch nicht komplett erforscht

  • Petrothermale Geothermie noch in der Erforschungsphase
  • ineffiziente Wärmebereitstellung bei Umgebungsluft-Wärmepumpen (schlechte Primärenergieeinsparung)

  • Stromgewinnung aus Niederenthalpielagerstätten noch sehr ineffizient
  • geringer Eingriff in das oberirdische Ökosystem


 

Quellen:

[1] Agentur für Erneuerbare Energien e.V., "Fakten: Die wichtigsten Daten zu den Erneuerbaren Energien - Schnell und kompakt", 2010 (Link)

[2] BGR Energierohstoffe 2009 (Link)

[3] Agentur für Erneuerbare Energien e.V., "Erneuerbare Energien 2020 - Potenzialatlas Deutschland", 2010 (Link)

[4] BMU, “Erneuerbare Energien in Zahlen 2010” (Präsentation), 2010 (Link)

[5] BMU, "Erneuerbare Energien - Innovationen für die Zukunft", 2004 (Link)

[6] BMU, Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern, 2006 (Link)

[7] http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermie/

 


Beitrag erstellt von Christoph Schünemann (Januar 2012)

Zuletzt aktualisiert am Dienstag, den 17. April 2012 um 13:13 Uhr  

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