ARCH+ 184

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Erschienen in ARCH+ 184,
Seite(n) 108

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Geothermie

Von Mende, Julia von

Allein mit den Wärmevorräten der oberen 3 km der Erdkruste könnte der jetzige Energiebedarf der Menschheit für die nächsten 100.000 Jahre gedeckt werden. Die Erdwärme (auch Geothermie genannt) ist die Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung, Wärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen und Wärme aus Sonneneinstrahlung in oberflächennahen Schichten. Sie steht tages- und jahreszeitenunabhängig zur Verfügung und ist im Gegensatz zur Solar- oder Windenergie dann wenig flächenintensiv, wenn sie punktuell aus dem Erdreich und nicht über flächige Kollektoren an der Erdoberfläche gewonnen wird. Tatsächlich zugänglich und somit nutzbar ist davon heute nur die im oberen Teil der Erdkruste in Gestein oder Wasser gespeicherte Wärme. Sie kann entweder indirekt über Wärmeübertragung (Wärmetauscher) oder direkt gewonnen werden. Je nach Tiefe der Wärmeentnahme unterscheidet man zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie.

Die oberflächennahe Geothermie bewegt sich in einer Tiefe bis ca. 400 m. Bereits in 5 bis 10 m Tiefe herrscht entsprechend dem lokalen Jahresmittel eine konstante Temperatur (in Deutschland bei 8-10oC), die – je nach Jahreszeit – zum Kühlen oder Heizen genutzt werden kann. Um sie zu fördern, werden mit einem Wärmeträgermedium gefüllte Sonden vertikal in den Boden getrieben oder Wärmetauscher in Bauteile wie z.B. Gründungspfähle oder -platten integriert. Direkt unter der Oberfläche kann sie mit horizontal eingelegten Erdwärmekollektoren gesammelt werden. Mit der sogenannten tiefen Geothermie kann man wesentlich höhere Temperaturen aus bis zu 5.000 m Tiefe entnehmen. Je nach Bodenbeschaffenheit werden dazu unterschiedliche Verfahren angewendet.

Thermalwasservorräte können direkt angezapft werden, um das heiße Wasser an die Oberfläche zu holen (hydrothermale Systeme). In den seltensten Fällen sprudelt jedoch dort, wo man Geothermie nutzen möchte, eine heiße unterirdische Quelle. Gänzlich unabhängig von diesen Vorkommen ist man mit sogenannten petrothermalen Systemen, wenn man selbst Wasser in die Tiefe presst, es sich an heißen Felsformationen wie an einer Wärmetauscherfläche erhitzen lässt und man dann das Wasser wie aus einem Wasserkocher dem Erdboden wieder entnimmt. Damit das Wasser im Untergrund zirkulieren kann, müssen künstliche Risse im Gestein erzeugt werden. Dies ist – wie die jüngsten Vorkommnisse in Basel belegen – kein ungefährliches Unterfangen, weil dabei Erdbeben ausgelöst werden können. Weniger riskant scheint dagegen die Wärmeentnahme über eine 2.000 bis 3.000 m tiefe Bohrung, in die eine Erdwärmesonde eingebracht wird. Innerhalb der u-förmigen oder koaxialen Sonde zirkuliert ein Wärmeträgermedium, das die Hitze aus der Tiefe an die Oberfläche transportiert. Dabei ist die Wärmeübertragungsfläche gegenüber offenen Systemen in vergleichbarer Tiefe relativ gering, weshalb das Verfahren weniger ertragreich ist. Jedoch ist diese Art der Wärmeentnahme im Prinzip an jedem Standort möglich.

Während Thermalwasser seit Jahrtausenden zu balneologischen Zwecken und schon im 14. Jahrhundert in Zentralfrankreich (Chaudes-Aigues) mittels Fernwärmenetz zum Heizen genutzt wurde, entdeckte man es zu Beginn des 20. Jahrhunderts auch für die Stromerzeugung. Dabei werden über ein Wärmeträgermedium Turbinen angetrieben. Zur wirtschaftlichen Nutzung sind Temperaturen von über 100oC erforderlich, Entsprechend arbeitet das erste geothermische Kraftwerk (400 MW), das 1913 im toskanischen Lardorello errichtet wurde, mit vulkanischem Wasserdampf. Zur Optimierung von geothermischen Kraftwerken bietet sich die Kraft-Wärme-Kopplung an. Die geothermische Stromproduktion konzentriert sich auf Regionen mit außergewöhnlich hohen unterirdischen Temperaturen, zum Beispiel durch Vulkanaktivität, an denen heißes Thermalwasser sprudelt, und hat im weltweiten Vergleich einen untergeordneten Stellenwert. Die bisher insgesamt existierenden 300 geothermischen Kraftwerke erbringen zusammen lediglich die Leistung eines einzigen Atomreaktors (8.900 MW).

Größere Bedeutung kommt der Geothermie zu Heizzwecken zu, die sich mit einer Gesamtwärmeleistung von 100.000 MW in den letzten 10 Jahren verdreifacht hat. Zum Heizen lassen sich wesentlich niedrigere Temperaturen als zur Stromerzeugung nutzen. Die Wärmepumpe, die die Temperaturen anhebt, ist dabei der Dreh- und Angelpunkt. Mit diesem Hilfsmittel kann das Erdreich auch als saisonaler Wärmespeicher wechselweise zum Heizen oder Kühlen genutzt werden. In einem solchen System wird zum Beispiel im Winter mit Wasser aus einem unterirdischen Wasservorkommen (Aquifer) geheizt. Dabei kühlt sich das gespeicherte Wasser soweit ab, dass damit im Sommer gekühlt werden kann. Während des Kühlvorgangs erwärmt sich das Wasser wiederum für den Winter. Im Idealfall halten sich beide Energiemengen die Waage.

Was bei saisonalen Speichern nützlich ist, kann bei größeren geothermischen Anlagen, die dem Erdreich dauerhaft Wärme entnehmen, problematisch sein. Zumindest ist derzeit nicht eindeutig absehbar, wie lange ein ausgekühlter Erdkörper braucht, bis sich die natürlichen Temperaturverhältnisse durch Nachströmen der Energie aus dem Erdinneren wiedereinstellen. Die Wirtschaftlichkeit der Nutzung von Geothermie, hängt im Wesentlichen von den Investitionskosten, den Unterhaltskosten und der Nutzungsdauer ab. Besonders effizient erscheinen Projekte, die Restprodukte des Tunnelbaus (30 bis 34°C warmes Wasser) oder stillgelegter Bergbauanlagen (60 bis 120°C heißes Formationswasser) einer geothermischen Nutzung zuführen.

Grundsätzlich gilt für Geothermie: Je höher die Temperaturausbeute, desto tiefer muß man bohren, und umso teuer und riskanter wird die Unternehmung. Wir wissen über die Hölle 500 m unter unseren Füßen weit weniger als über den Himmel über uns. Je nach Bodenverfügbarkeit kann ein flach verlegter Erdwärmekollektor mit niedriger Temperaturausbeute sinnvoller sein als eine Tiefenbohrung mit unsicherem Ausgang. Im innerstädtischen Bereich dagegen kann sich die Investition einer Tiefenbohrung lohnen. Bei der Vorstellung von Hochhäusern, die eng an eng ihre Fühler ins Erdreich stecken, stellt sich allerdings die Frage, in welchem Umfang man der Erde Wärme entziehen kann, ohne dabei die Temperatur des Nachbargrundstücks zu beinflussen. Bei dichteren Bebauungen kann die im Erdboden gespeicherte Wärmemenge knapp werden. Andererseits wird gerade in Ballungsgebieten dem Untergrund wieder neue nutzbare Energie zum Beispiel durch die Verkehrsinfrastruktur zugeführt. Derzeit konzentriert sich der Markt der Geothermieanlagen auf Einfamilienhäuser.

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