Geothermie einfach erklärt

Als Geothermie bezeichnet man die technische Nutzung der in der Erdkruste gespeicherten Wärmeenergie. Diese stammt einerseits aus der Entstehungsphase der Erde (sogenannte Restwärme) anderseits aus dem Zerfall natürlicher Radioisotope innerhalb der Erdkruste, wodurch ein stetiger Wärmenachschub in der Erdkruste erzeugt wird. Eine weitere Quelle der Wärmenergie liegt im Wärmeaustausch zwischen oberer Erdkruste mit tiefen liegenden Bereichen im Erdinnern. Wobei die Wärme im tiefen Erdinnern vorrangig die Restwärme aus der Verdichtung der Erde aus der Zeit der Erdentstehung ist. Eine weitere Quelle ist die Kristallisierung des Erdkerns (Wärme durch Phasenübergang von flüssig auf fest). Vernachlässigbar gering sind die Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme durch Erdbeben und der Abbremsung der Erde durch den Mond (Gezeiten der festen Erde).

Aus diesem zur Erdoberfläche hin gerichteten Wärmetransport aus dem Erdinneren ergibt sich der geothermische Gradient, welcher die Temperaturzunahme mit zunehmender Tiefe bezeichnet. Global liegt dieser Wert bei durchschnittlich 3 °C pro 100 Meter. Dies bedeutet umgekehrt, dass bei einer Tiefenzunahme von 33 Meter die Gesteinstemperatur um 1°C steigt (geothermische Tiefenstufe).

Quelle: NASA
Quelle: NASA

Durch das Temperaturgefälle zwischen Erdoberfläche und dem Erdinneren wird Wärme aus der Tiefe nach Oben transportiert (geothermischer Wärmefluss). Dies macht die Geothermie bei verantwortungsvollem Umgang zu einer erneuerbaren Energiequelle. Denn es gilt zu beachten, der natürliche Wärmefluss ist bei einem globalen Mittel von 70 mW/m² sehr gering. Auf einer Fläche eines Fußballfelds wird eine Wärmeleistung von nur 500 Watt abgegeben, dass dafür 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr. Um eine Gebäude oder sogar ganze Stadtteile mit Wärme zu versorgen, muss die im Gestein gespeicherte Wärme umsichtig und nachhaltig, wie bei der Gewinnung von Mineralien bewirtschaftet werden. Uns kommt zugute, dass uns ein riesiges Erdvolumen zur Nutzung der Erdwärme zur Verfügung steht. Geothermische Energie ist abseits der heißen vulkanischen Gebiete für Niedertemperatur Anwendungen im Bereich von weniger als 10°C bis ca. 150°C geeignet. Hierbei wird ein breites Spektrum abgedeckt – von der Kühlung, über die Gebäudebeheizung und landwirtschaftliche oder industriellen Niedertemperatur Prozesswärme bis hin zur Gewinnung elektrischer Energie. Da sich der Untergrund auch hervorragend als Wärmespeicher eignet, kann bei der Geothermie zu recht von einem Alleskönner gesprochen werden.

Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energieformen ist die Geothermie in Europa leider immer noch eine Nischentechnologie, obwohl zahlreiche Vorteile für einen stärkeren Ausbau sprechen!

Das größte Alleinstellungsmerkmal der Geothermie im Vergleich zu anderen Energieformen wie Wind-, Solarenergie oder Wasserkraft liegt in der stetigen Verfügbarkeit. Unabhängig von jahreszeitlichen, klimatischen Schwankungen oder Tageszeiten liefert die Geothermie ganzjährig Energie. Sie ist somit eine grundlastfähige Energieform, die als zuverlässiger emissionsfreier Energielieferant die Dekarbonisierung unterstützt.


Geothermische Anwendungsformen

Geothermische Systeme können unterschliedlich klassifiziert werden. Eine gebräuchlich Einteilung in Österreich unterscheidet nach der Tiefe der niedergebrachten Bohrungen in oberflächennahe (bis 300m) und tiefe Geothermie (> 300 m).

Eine gebräuchliche Klassifizierung nach der Art der Nutzung in Mitteleuropa unterscheidet:

  • < 30°C: Niedertemperatur – Heizen mit Wärmepumpe und direktes Geocooling
  • 90°C Mitteltemperatur – direktes Heizen, Balneologie
  • > 90°C Hochtemperatur – Fernwärme und elektrische Energie

Eine weitere Unterscheidung innerhalb der Hochtemperatur-Geothermie bezieht sich auf die im Untergrund vorgefundenen Temperatur. Man unterscheidet zwischen Hochenthalpie- und Niederenthalpielagerstätten. Als Grenze zwischen Niederenthalpie- (geringere Temperaturen) und Hochenthalpielagerstätten (hohe Temperaturen) wird im Regelfall eine Temperatur von 200 °C angegeben. In Mitteleuropa spricht man grundsätzlich von Niederenthalpielagerstätten, der Wärmeaustausch wird meist durch Konduktion dominiert. In vulkanisch geprägten Region (z.B. Island) sind Hochenthalpielagerstätten zu finden, in welchen der Wärmeaustausch durch Konvektion dominiert wird.

Quelle: LIAG
Quelle: LIAG

Anwendungen der Geothermie erstrecken sich über Tiefenbereiche von wenigen Dezimetern (Flachkollektoren) bis zu mehreren Kilometern (tiefe Hydrogeothermie und Petrogeothermie) – siehe Abbildung. Es gibt Technologien, die natürlich vorhandene Grund- und Thermalwässer in verschiedenen Tiefen nutzen. In der Petrothermie werden zudem Oberflächenwässer künstlich in heißes aber dichtes Gestein eingebracht. Neben den zuvor genannten „offenen geothermischen Systemen“ nutzen andere Methoden die Erdwärme in geschlossenen Wärmetauscher Systemen – in Bohrungen oder horizontal verlegten Kollektoren. Ähnlich wie bei der Tiefe der Wärmentnahme erstreckt sich der Temperaturbereich der genutzten Erdwärme über ein weites Spektrum, von unter 10°C (Kühlen, Wärmepumpe Heizung) bis zu 150°C (Fernwärme, Gewinnung elektrischer Energie).

Oberflächennahe Geothermie

(c) GeoPLASMA-CE
(c) GeoPLASMA-CE

Als oberflächennahe Geothermie wird die Nutzung der Erdwärme bis zu einer Tiefe von 300 Meter bezeichnet. Diese Energie kann sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen von Gebäuden genutzt werden. Bei der oberflächennahen Geothermie gibt es unterschiedliche Variationen. Neben Grundwasserwärmepumpen und Erdwärmekollektoren finden Erdwärmesonden die meiste Verbreitung bei der Anwendung der oberflächennahen Geothermie. Während Erdwärmesonden normalerweise in 50-160 Meter tiefen vertikalen Bohrlöchern eingebaut werden, werden Erdwärmekollektoren in horizontalen Leitungen in einer Tiefe von etwa 80-160cm verbaut. Sowohl bei Erdwärmesonden wie auch bei Kollektoren wird ein Fluid (meist ein Wasser/Glykol Gemisch) durch ein geschlossenes Rohrsystem im Untergrund gepumpt und so die Wärme- bzw. Kühlenergie des Untergrundes auf das Medium übertragen. Zurück an der Oberfläche wird dem Medium mit Hilfe von Wärmepumpen die zuvor aufgenommene Energie wieder entzogen und für die Beheizung oder Kühlung von Gebäuden genutzt.

Bildquelle: ENERCRET GmbH (enercret.com)
Bildquelle: ENERCRET GmbH (enercret.com)

Steigender Beliebtheit erfreuen sich auch erdberührte thermisch aktivierte Bauteile, auch Massivabsorber genannt. Dabei werden statisch ohnehin notwendige Bauteile wie Bodenplatten, Gründungspfähle oder Schlitzwände durch das Anbringen von Zirkulationsleitungen an der Armierung thermisch aktiviert. Eine Besonderheit beim Einsatz von thermisch aktivierten Bauteilen, auch Massivabsorber genannt, ist, dass sie nicht als Teil des Wärmesystems errichtet werden. Die Wahl des Absorbertyps trifft daher die Baustatik und nicht die Wärmeplanung.

Bei der Anwendung von Massivabsorbern zum Energieaustausch mit dem Untergrund bestimmt insbesondere die Fundierungsart des Bauwerks den Massivabsorbertyp. Bei einer Tieffundierung eines Gebäudes mit z.B. Pfählen oder Schlitzwänden können Energiepfähle oder Energieschlitzwände hergestellt werden, wohingegen bei einer Flachfundierung des Gebäudes eine Energiebodenplatte ausgeführt werden kann. Dies trifft auf Hochbauten und auch auf Tunnelbauten, die in offener Bauweise errichtet werden, zu. Für in geschlossener Bauweise errichtete Tunnel oder maschinell aufgefahrene Tunnelbauwerke wurden bereits Sonderlösungen entwickelt.

 

Weitere Informationen über die oberflächennahe Geothermie finden Sie auf der Homepage erdwaerme-wien.info.

Tiefe Geothermie

Die tiefe Geothermie umfasst folgende Nutzungsverfahren:

  • Hydrothermale Nutzung: dabei wird der Energieinhalt von warmen bis heißen Thermalwasser genutzt (folgend auch „Hydrogeothermie“ genannt)
  • Petrothermale Nutzung: dabei wird die im Gestein gespeicherte Wärme genutzt

Die durchschnittliche Tiefe solcher Systeme beträgt sowohl bei hydrogeothermalen als auch bei petrogeothermalen Anlagen 2500m-4500m. Die hydraulischen Eigenschaften werden maßgeblich durch die Durchlässigkeit des Gesteins bestimmt und bestimmen die Förderrate bzw. die Injektionsrate des Thermalwassers. Durch Stimulationsverfahren des Gesteins können diese erhöht werden und somit die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöhen. Man spricht dann von sogenannten "Enhanced Geothermal Systems" (EGS).

Eine Geothermieanlage benötigt im Vergleich zu anderen Anlagetypen einen geringen Flächenbedarf, da sich der wichtigste Teil der Anlage im Untergrund befindet. Moderne Geothermieanlagen sind sehr kompakt und lassen sich mühelos in die Landschaft integrieren.

 

Weitere Informationen zu den Anwendungsmöglichkeiten der Tiefen Geothermie erhalten Sie hier.