Geothermische Energie, Geoenergie Erdwärme

Nach einer kurzen geschichtlichen Übersicht beschreiben wir das Potential dieser Energieform und präsentiere anschließend eine entsprechende Länderübersicht in mehreren Teilen. Am Ende werden die Grenzen der Nutzung dieser Energie aufgeführt.

Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde. Pro Liter Erdinnenraum sind im Mittel 2,6 kWh Energie gespeichert. Der Wärmeinhalt der Erde würde den heutigen Weltenergiebedarf für 30 Millionen Jahre decken.

Diese Energie wird seit Jahrtausenden gezielt verwendet, wie durch mündliche Überlieferung und Geschichtsschreibung bekannt ist.

Schon die ‚frühen’ Menschen haben geothermisches Wasser, das in natürlichen Becken und heißen Quellen auftrat, vermutlich zum Kochen und Baden benutzt – und um sich warm zu halten. Es gibt archäologische Beweise dafür, daß amerikanische Indianer die Orte an diesen geothermischen Quellen seit mehr als 10.000 Jahre benutzten. Und auch die geschriebene Geschichte zeigt, daß geothermische Ressourcen von Römern, Japanern, Türken, Isländern, Zentraleuropäern und den Maoris in Neuseeland zum Baden, Kochen und als Heizung verwendet wurden.

Beispiele für solch frühe Nutzungen sind das geothermische Wasser der heißen Quellen von Huaquingchi in China, wo vor ca. 2.000 Jahren ein Bade- und Behandlungszentrum in der Qin-Dynastie gebaut wurde, wie auch die heißen Quellen von Ziaotangshan bei Peking, die etwa 800 Jahre lang von der kaiserlichen Familie und hohen Würdenträgern der Ming- und Qing-Dynastien zur Erholung benutzt wurden.

Erste industrielle Anwendungen gab es bei der Extraktion von Chemikalien aus den natürlichen geothermischen Manifestationen (Dampf, Quellen und Ablagerungen) in der Region Larderello in Italien (s.u.). Ernsthaft betrieben wurde diese Gewinnung nach der Entdeckung von Borsäure in den heißen Wässern im Jahr 1777. In Chaudes-Aigues im Zentrum von Frankreich wurde das heute noch existierende erste geothermische Fernwärmenetz bereits im 14. Jahrhundert begonnen!

Geothermie wurde in der Vergangenheit in vielen Ländern benutzt, aber die meisten Anwendungen wurden nicht dokumentiert oder überliefert. Eine kürzlich erschienene Veröffentlichung beschreibt viele der frühen Nutzungen vor der industriellen Revolution (Stories from a Heated Earth - Our Geothermal Heritage, edited by R. Cataldi, S. Hodgson and J. Lund, 1999). Diese Veröffentlichung umfasst historische Informationen aus über 25 Ländern, geliefert von Archäologen, Historikern, Geographen, Anthropologen, Naturwissenschaftlern und Ingenieuren.

1913 veröffentlicht der amerikanische Reiseschriftsteller Colin Ross eine Erzählung mit dem Titel Als der Welt Kohle und Eisen ausging, in der sich die Großmächte um die letzten Kohlereserven streiten – bis ein deutscher Ingenieur ein tiefes Loch gräbt und die Menschheit lehrt, die Hitze des Erdinnern zu nutzen – die Geothermalenergie.

Über die überall vorhandene Erdwärme ist bekannt, daß sie zu 70 % durch den Zerfall radioaktiver Elemente wie Uran, Thorium und Kalium entsteht, durch den Druck und durch die Reibung in den tieferen Schichten. Die überwiegenden Isotope, die für die radiogene Erwärmung verantwortlich sind, sind das Kalium-Isotop K 40, die Uran-Isotope U 235, U 238 und das Thorium-Isotop Th 232. Von den restlichen 30 % wird vermutet, daß sie noch aus ‚Restwärme’ aus der Entstehungszeit des Planeten bestehen. Bis zu einer Tiefe von 20 - 30 km steigt die Temperatur alle 1.000 m um etwa 30°C an. In 8.000 m Tiefe beträgt die Temperatur durchschnittlich 240°C. Noch viel tiefer liegt das Magma mit Temperaturen von rund 5.000°C.

Theoretisch ließe sich mittels des heißen Kerns des Erdinnern der gesamte Weltenergiebedarf leicht decken. Der Wärmeinhalt des Planeten wird auf etwa 3,9 x 10 hoch 23 W geschätzt. Im krassen Widerspruch dazu steht, daß die Gesamtjahresleistung aller geothermischen Kraftwerke 1980 nur knapp 2.000 MW betragen haben soll – obwohl sogar das zu jenem Zeitpunkt wirtschaftlich nutzbare Potential auf 60 GW geschätzt wurde.

Dieser Unterschied resultiert daraus, daß die wirtschaftliche Nutzung dieser Wärme, d.h. eine Stromproduktion mittels Wasserdampfdruck, bislang auf nur einige wenige Gebiete beschränkt ist. Besonders bevorzugt sind hierbei – neben den etwa 500 tätigen Vulkane – auch Gegenden mit ehemals vulkanischer Tätigkeit, denn erloschene Vulkane können ihre Wärme über Millionen von Jahre halten. Hier besteht die Möglichkeit, in diese Gesteinsschichten Wasser hineinzupumpen, welches dann – als Dampf wieder austretend – Turbinen antreiben kann.

Für die Beheizung von Wohnflächen reichen dagegen schon Bohrungen in heißwasserführende Schichten relativ geringer Tiefe aus. Hierbei hat sich 100°C – 200°C heißes Wasser schon gut bewährt, sogar über längere Zeiträume hinweg. Insbesondere dieser ‚nasser Geothermalenergie’ wird neuerdings mehr Beachtung gezollt, da die Heizkosten hierbei niedriger sind als bei Öl oder Kohle, außerdem ist die Nutzung wesentlich krisenfester.

Zusätzlich lässt sich dem Erdreich auch schon in Tiefen zwischen 15 und 200 m mit Erdwärmesonden, Grundwasser-Wärmepumpen und Erdwärmekollektoren Wärme entziehen. Die Raumluftkonditionierung mit Erdwärmetauschern wird in Deutschland seit Ende der 1980er Jahre in mehreren Pilotprojekten untersucht.

Künstliche Hohlräume im Untergrund können ebenfalls als thermisch nutzbare Grundwassersammler oder -reservoirs dienen. Dabei ist vor allem an Bergwerke (stillgelegt oder noch in Betrieb) oder Tunnel zu denken, bei denen die Hohlräume primär nicht für eine thermische Nutzung geschaffen wurden. Bei Gruben und Tunneln wird der Bereich der oberflächennahen Geothermie teilweise bereits verlassen. Überlegungen existieren z.B. zur thermischen Nutzung eines Kohlebergwerks im östlichen Ruhrgebiet, das deutlich tiefer als 1 km ist.

Bereiche wesentlich höherer Temperaturen gibt es wiederum auch auf dem Meeresgrund – wo im Umkreis heißer vulkanischer Thermalquellen in 2.000 bis 3.000 m Tiefe auch Oasen einer reichen Tierwelt aufgefunden wurden. Die dort stattfindende Chemosynthese – die Umwandlung von Schwefelwasserstoff – wurde schon 1987 als eine mögliche zukünftige Energiequelle für die Herstellung biotechnischer Produkte erkannt.

Die Anwendung geothermischer Energie für die Stromerzeugung begann in Italien mit Versuchen des Fürsten Ginori Conti in den Jahren 1904 und 1905. Das erste Kraftwerk (250 kW elektrische Leistung) wurde in Larderello im Jahr 1913 in Betrieb genommen.

Der Entwicklung in Italien folgte 1958 eine Anlage in Wairakei, Neuseeland, ein Versuchsanlage in Pathe, Mexiko, im Jahr 1959, und 1960 das Projekt in The Geysers in den USA. Ein erstes internationales Treffen, auf dem über geothermische Anwendungen berichtet wurde, war die UN Conference on New Sources of Energy in Rom 1961.

Die folgende Übersicht soll einen Eindruck davon geben, wie der aktuelle internationale Stand der Erfahrungen, Versuche und Modellvorstellungen ist.

Im Jahr 1983 gab es zwölf Länder mit geothermischen Kraftwerken – und 32 Länder, in denen Planungen zur Nutzung dieser Energiequelle im Gange sind. In den genannten Kraftwerken wurden 1983 etwa 1.200 MW Strom erzeugt, dazu kamen 5.500 MW in Form von Heizwärme und Warmwasser – hauptsächlich in Island, Neuseeland und Ungarn. 1987 werden schon 2.000 MW Strom erzeugt.

In einer anderen Quelle fand ich folgende Statistik von 1986:

1997 nennt der EU-Wissenschaftsrat eine weltweit installierte elektrische Leistung von 7.802 MW sowie eine thermische Leistung von 9.701 MW.

Im Jahre 2000 werden in bereits 21 Ländern insgesamt 8.000 MW elektrischer Strom aus geothermischer Energie produziert. Mehr als 25 % der Kraftwerksleistung befinden sich in den USA, die Philippinen liegen mit 1,9 GW installierter Leistung an zweiter Stelle. Es folgen mit Abstand Italien, Mexiko, Indonesien, Japan und Neuseeland. In Deutschland werden zu diesem Zeitpunkt rund 400 MW erzeugt, hauptsächlich in Form umweltfreundlicher Wärme.

Unter den verschiedenen Techniken gilt 2004 der sogenannte Kalina-Prozeß als der effizienteste. Hier wird im Wärmeaustauscher ein niedrig siedendes Gemisch aus Ammoniak und Wasser eingesetzt.

Ein vorerst noch ‚visionärer Ansatz’ ist der an jede Topologie anpassbare Lineargenerator, bei dem sich der Wärmetauscher am unteren Ende der Bohrung befindet und einen Kolben innerhalb des Bohrloches bewegt.

Aber es geht ja auch anders herum: Die Geothermische Vereinigung e. V. weist im August 2003 darauf hin, daß durch direkte Kühlung mit Erdwärmesonden in den heißen Sommermonaten erhebliche Energie-Mengen und -Kosten eingespart werden können. Mit einer Bodentemperatur von 10°C – 12° stellt der Erdboden schon wenige Zentimeter unter der Oberfläche praktisch einen riesigen, kostenlosen Kühlschrank dar. Statt eigens niederzubringende Erdsonden lassen sich in vielen Fällen auch Beton-Einbauten im Erdreich – wie Gründungspfähle etc. – kostengünstig entsprechend ausrüsten. Ideal sind zudem Kombianlagen, die im Sommer Kühle und im Winter Wärme erzeugen, denn hier lassen sich gegenüber konventionellen, strombetriebenen Heiz-/Kühl-Systemen meist mehr als 50 % der Betriebskosten einsparen.

Zum Vergleich mit der obigen Tabelle folgt hier eine weitere internationale Übersicht der Geothermie-Nutzung sowohl zur Stromproduktion (MWel) als auch zur Wärmeproduktion (MWth). Es handelt sich um die Zahlen von 2005: