Energie4
4 Über die Erdwärme
4.1 Technologien zur Nutzung der Erdwärme4.2 Oberflächennahe Erdwärme
4.3 Tiefer Untergrund
4.4 Hydrothermale Geothermie
4.5 Hot-Dry-Rock-Verfahren
4.6 Hydrothrmale Wärmeversorgung
4.7 Hydrothermale Stromerzeugung
Im Erdinneren herrschen Temperaturen von bis zu 6.000 Grad Celsius und diese enormen Temperaturen werden durch z.B. Vulkane, heiße Quellen (Abb.9) und Geysire (Abb.8) zum Ausdruck gebracht. Man bezeichnet die Wärme, die von dem schmelzflüssigen Kern im Erdinneren an die Erdoberfläche dringt, als Geothermie oder Erdwärme. Auf dem Weg nach oben kommt es sowohl zur Erhitzung der Gesteins- und Erschichten als auch zur Erhitzung der unterirdischen Wasserreservoirs.
Die Wärme kann man zur Beheizung von Gebäuden und anderen Wärmeverbrauchern, für industrielle oder landwirtschaftliche Zwecke oder zur Meerwasserentsalzung einsetze. Eine Kühlung der Gebäude ist allerdings auch möglich. Die Erwärme ist für die Stromerzeugung sehr interessant, denn sie ist unabhängig von Jahreszeiten, Wetter oder Klimabedingungen und steht rund um die Uhr zur Verfügung. Zum ersten Mal wurde Strom ein einem Erdwärmekraftwerk in Italien im Jahr 1913 gewonnen. Heute erfolgt dies vorwiegend in Ländern wie Island, USA und Neuseeland. In Deutschland wird seit 2003 in Neustadt/Glewe (Mecklenburg-Vorpommern) Strom aus Erdwärme erzeugt. Weitere Projekte sind noch in der Umsetzung, denn es gibt rund 100 Aufsuchungsfelder für die geothermische Stromversorgung.
4.1 Technologien zur Nutzung der Erdwärme
Man benötigt ein Medium um die Erdwärme nutzbar zu machen, damit man sie an die Oberfläche befördern kann. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:
1. Das Medium ist im Untergrund schon als Dampf oder heißes Wasser vorhanden. Über eine Bohrung (Abb.10-12) wird dieses an die Oberfläche befördert, durch Nutzung abgekühlt und wieder zurückgeleitet.
2. Im Untergrund ist heißes Gestein vorhanden und um diese Wärme zu gewinnen wird in die Tiefe Wasser gepumpt und erhitz wieder nach oben gefördert.
Somit gibt es sehr vielfältig eingesetzte Verfahren zur Erschließung und Nutzung des geothermischen Potenzials.
4.2 Oberflächennahe Erdwärme
Darunter versteht man die Nutzung der Energie, die in den obersten Erdschichten oder dem Grundwasser gespeichert ist. Die geringen Temperaturen von 8-12°C, welche dort herrschen, lassen sich auf verschiedene Arten nutzen und können zur Bereitstellung von Wärme und auch Klimakälte dienen. Die im flachen Untergrund vorhandene Energie kann durch Wärmepumpen, Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Energiephäle oder auch erdberührte Betonbauteile genutzt werden.
4.3 Tiefer Untergrund
Die Hitze die in kristallinen Gesteinen gespeichert wird, kann durch Petrophysikalische Systeme wie das Hot-Dry-Rock-Verfahren genutzt werden. Diese werden sowohl als Wärme- als auch zur Stromversorgung eingesetzt.
4.4 Hydrothermale Geothermie
Dafür werden die in großen Tiefen vorkommenden Thermalwasservorräte, die sogenannten Heißwasser-Aquifere(Wasser führende Schichten)angezapft. Diese Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme oder Strom möglich.
4.5 Hot-Dry-Rock-Verfahren
Die Energie in trockenen, heißen Gesteinsschichten (Hot Dry Rock) kann zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Um die Wärme dieser Gesteine zu nutzen, müssen sie von einem Wärmeträger durchflossen werden und danach an die Oberfläche gebracht werden. Das durch die Gesteinsschichten erwärmte Wasser kann für Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Dadurch gibt es auch die Möglichkeit der Erzeugung von Strom durch den heißen Dampf. Dabei wird das im Untergrund erhitzte Wasser genutzt um eine Turbine anzutreiben. Somit steht der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem unter Druck und ein Sieden des eingepressten Wassers wird verhindert und der Dampf entsteht erst an der Turbine. Das heiße Gestein aus der Tiefe wird über Bohrungen erschlossen, wobei es mindestens eine Förder- und eine Verpressungsbohrung gibt, welche durch einen geschlossenen Wasserkreislauf verbunden sind. Zu Beginn wird Wasser mit sehr hohem Druck in das Gestein gepresst. Dadurch werden Fliesswege aufgebrochen oder vorhandene aufgeweitet und die Durchlässigkeit des Gesteins wird erhöht. Dies ist notwendig, weil ansonsten die Wärmeaustauschfläche und die Durchgängigkeit zu gering wären. Somit wird ein geothermischer Wärmetauscher durch das so geschaffene System aus natürlichen und künstlichen Rissen geschaffen. Durch die Injektions- / Verpressbohrung wird Wasser in das Kluftsystem gepresst, so sich dieses zirkuliert und erhitzt. Nun wird es durch die zweite Bohrung, die Produktions-/Förderbohrung, wieder an die Oberfläche gefördert. Zur Stromerzeugung werden u.a. Ort-Turbinen (Organic Rankine Cycle)verwendet, die im Wesentlichen wie Dampfturbinen arbeiten. Als Arbeitsmedium wird allerdings eine organische Flüssigkeit genommen und in Wasser, die einen niedrigen Siedepunkt hat, wie z.B. Ammoniak. Nur so ist es möglich das geringe Temperaturniveau geothermsicher Quellen zu nutzen, von ca. 100°C für die elektrische Energieerzeugung.
4.6 Hydrothermale Wärmeversorgung
Niedrigthermale Tiefengewässer mit Temperaturen von 40 bis 100°C eigen sich für die Wärmenutzung, wie sie im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen tiefebene vorkommen. Über Förderbohrungen wird das wasser aus 1.000 bis 2.500 Metern Tiefe an die Oberfläche gebracht und gibt den wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie per Wärmetauscher an einen zweiten, den sekundären Heizkreislauf ab. Ausgekühlt wird es dann durch eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund, in die Schicht von der es entnommen wurde, verpresst.
4.7 Hydrothermale Stromerzeugung
Bei der Hydrothermalen Stromerzeugung sind Wassertemperaturen von mindestens 100°C notwendig. Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit den Temperaturen von über 150°C können direkt zum Antreiben einer Turbine genutzt werden. Die üblichen Temperaturen geologischer Warmwasservorkommen liegen in Deutschland allerdings niedriger. Deshalb wurde Thermalwasser lange zeit ausschließlich zur Wärmeversorgung im Gebäudebereich genutzt. Neu entwickelte ORC-Anlagen ermöglichen allerdings eine sinnvolle Nutzung von Temperaturen ab 80°C zur Stromerzeugung. Diese arbeiten allerdings mit einem sehr geringen Medium, was bei relativ geringen Temperaturen auch verdampft. Somit wird der Stromgenerator durch eine Turbine angetrieben, welche von dem dampf angetrieben wird. Eine alternative zum ORC-Verfahren ist das KALINA-Verfahren. Dabei werden Zweistoffgemische, z.B. aus Ammoniak und wasser als Arbeitsmittel verwendet.
Das KALINA-Verfahren steht zwar noch am Beginn der Entwicklung, verspricht aber allerdings schon einen höheren Wirkungsgrad und niedrigere Stromgestehungskosten.