Geothermie – mit Erdwärme heizen, kühlen und Strom erzeugen
Im Interesse des Klimaschutzes wurden in der Vergangenheit eine ganze Reihe gesetzlicher Regelungen beschlossen. Ziel ist das Verringern der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas, Erdöl, aber auch Kernkraft. Dafür soll der Anteil erneuerbarer Energien gesteigert und entsprechende, auch geothermische Technologien und geothermische Anlagen gefördert werden. Während die Regelungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes ausschließlich das Erzeugen von Strom betreffen, betrifft das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz die Wärmeversorgung. Sowohl Strom als auch Wärme bzw. Kälte kann mithilfe von Geothermie erzeugt werden.
Doch was ist Geothermie überhaupt? Und welche Möglichkeiten gibt es ganz praktisch für Eigenheimbesitzer, ihr Haus mit Geothermie zu versorgen? Dieser Beitrag gibt dir einen ersten Einblick in das für viele noch neue Thema.
Wärmeenergie aus der Tiefe der Erde
Je tiefer man in das Erdinnere vorstößt, desto wärmer wird es. Durchschnittlich sind es in Deutschland etwa 3 °C pro 100 Meter Tiefe. Im Erdkern vermutet man Temperaturen von bis zu 7.000°C. Die Nutzung dieser Erdwärme zur Gewinnung von Energie, insbesondere von Wärme, aber auch Strom und Kälteenergie, wird als Geothermie bezeichnet. Sie zählt zu den erneuerbaren Energien und wird u. a. bei Wärmepumpenheizungen zum Heizen und Kühlen, zum Erzeugen von elektrischem Strom oder in Kraft-Wärme-Kopplungen eingesetzt.
Geothermie als Baustein für die Energiewende
Anders als bei der herkömmlichen Strom- und Wärmeerzeugung setzt die geothermische Nutzung von Erdwärme kein Kohlenstoffdioxid frei. Zudem gilt nach menschlichem Ermessen die klimafreundliche Geothermie als unerschöpflich und immer verfügbar. Damit wird eine zuverlässige und preisstabile Energieversorgung sichergestellt, die die Umwelt schont und wetterunabhängig ist.
Geothermie Technologien
Das Potenzial der Erdwärme kann dank der bereits entwickelten geothermischen Systeme fast überall genutzt werden. In Deutschland unterliegen Bohrungen bis zu einer Tiefe von unter 100m nicht dem Bergrecht – diese werden als „bergfrei“ bezeichnet. Ab einer Tiefe darüber hinaus muss bergrechtlich auch noch kein Rahmenbetriebsplan erstellt werden, hier ist zunächst ein Hauptbetriebsplan ausreichend. Erdwärme, die aus dem Untergrund bis zu 400 m Tiefe genutzt wird, bezeichnet man als oberflächennahe Geothermie. Genutzt wird diese von Sonneneinstrahlung, Niederschlägen, Grundwasser und Wärmeleitung des Gesteins beeinflusste Wärme mithilfe von Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren, Energiepfählen sowie Grundwasserwärmepumpen und -brunnen. Stand 2020 wird die oberflächennahe Geothermie in über 440.000 Gebäuden von Einfamilienhäusern bis Gewerbebetrieben eingesetzt und es kommen ca. 20.5000 Anlagen pro Jahr hinzu.
Wird die geothermische Energie über Bohrungen erschlossen, die über 400 m tief gehen, wird das als tiefe Geothermie bezeichnet. Hydrothermale Geothermie nutzt die im Erdinneren vorhandenen Fluids wie z. B. Wasser oder Wasserdampf meist direkt, manchmal auch mit Wärmepumpen, z. B. für Nah- und Fernwärme. Petrothermale Systeme wiederum nutzen überwiegend die im Gestein gespeicherte Energie. Es gibt verschiedene Begriffe, die für Nutzung der petrothermalen Geothermie verwendet werden: Enhanced Geothermal System (EGS) hat sich im europäischen Raum durchgesetzt, hingegen gilt das Hot-Dry-Rock-Verfahren inzwischen als veraltete Begrifflichkeit.
Heizen mit Geothermie
Da Geothermie überall verfügbar ist, ist lediglich ein ausreichend großes Grundstück erforderlich. In der Regel wird zunächst ein Wärmetauscher zum Gewinnen der Erdwärme eingesetzt. In einem geschlossenen System, wie zum Beispiel bei Erdwärmesonden oder Erdkollektoren, zirkuliert Wasser oder eine andere Wärmeträgerflüssigkeit in dem Rohrsystem in der Erde. Bei einem (offenen) Brunnensystem zirkuliert das Grundwasser in einem Förder- und einem Reinjektionsbrunnen.
Die aufgenommene Wärme wird an der Oberfläche an eine Wärmepumpe abgegeben. Das dort zirkulierende Arbeitsmittel verdampft bereits bei sehr niedrigen Temperaturen und nimmt dabei die Wärme aus der Wärmeträgerflüssigkeit auf. Ein Kompressor verdichtet das verdampfte Kältemittel anschließend und die Temperatur steigt durch den höheren Druck erheblich an. Das heiße Mittel hat jetzt eine ausreichende Wärme zum Heizen erreicht und wird an das Heizsystem abgegeben. Durch anschließendes Abkühlen und Verflüssigen kann wieder Wärme aus der Erde aufgenommen werden und der Kreislauf beginnt von vorne.
Zusammen mit einer Photovoltaik-Anlage kannst du den für die Wärmepumpe benötigten Strom CO2-neutral erzeugen. Oder du kombinierst deine Geothermie-Anlage mit einer Solarthermie-Anlage und nutzt die Sonnenkollektoren zur Warmwasseraufbereitung und bei größeren Anlagen auch zur Heizungsunterstützung.
Übrigens: Eine Geothermie-Wärmepumpe ist auch zum Kühlen in der Lage. Durch das Entziehen von Wärme aus den Räumen und Ableiten ins Erdinnere läuft der Prozesse umgekehrt ab.
Erdwärmepumpe
Zunächst einmal: Jede Wärmepumpe kann Energie aus der Umwelt erschließen und in Heizwärme umwandeln. Der Carnot-Wirkungsgrad gibt den höchst theoretisch möglichen Wirkungsgrad an, der bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie entsteht. Wärmepumpen, die dem Erdreich die Energie entziehen, nennt man Erdwärmepumpen oder auch Sole-Wasser-Wärmepumpen.
Beim Vergleich Luftwärme- mit Erdwärmepumpe lässt sich feststellen, dass die Effizienz der Erdwärmepumpe aufgrund gleichbleibender Temperatur im Erdreich höher ist. Den besten Wirkungsgrad erzielen jedoch Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die mit 12 Grad Celsius warmen Grundwasser arbeiten.
Geothermische Stromerzeugung
Unter der Erde liegt ein gewaltiges Energiepotenzial mit hohen Temperaturen, denn 99 % der Erde sind heißer als 1.000 °C. Für die Erzeugung elektrischer Energie bedarf es der Tiefengeothermie, so können z. B. tiefe Erdwärmesonden Thermalwasser für die thermische Nutzung zugänglich machen. In Deutschland finden sich Reservoire mit ausreichender Wassermenge z. B. in Baden-Württemberg im Oberrheintal oder auch im norddeutschen Becken. Das erste Geothermie-Kraftwerk in Deutschland, das heißes Wasser als Energiequelle zur Stromerzeugung nutzte, steht in Mecklenburg-Vorpommern. Aufgrund eines technischen Defekts und der damit verbundenen Unwirtschaftlichkeit ist die Stromproduktion der Anlage allerdings nicht mehr in Betrieb. In diesem Kraftwerk konzentriert man sich jetzt nur noch auf die Wärmeversorgung von Neustadt-Glewe.
Und auch im schweizerischen Thermalbad Lavey-les-Bains wurde ein Geothermie-Projekt zur Stromproduktion auf Eis gelegt – hier reichte der Wasserdurchfluss nicht für die Energieerzeugung aus. Beide Beispiele zeigen, dass die Nutzung von geothermischer Energie für die Stromerzeugung andere Herausforderungen beinhaltet als bei der Wärmeversorgung und vielfach noch am Anfang steht.
Exkurs: Ökologische Aspekte tiefer Geothermie
Während oberflächennahe Geothermie allgemein als unbedenklich erscheint, wird die tiefe Geothermie hinsichtlich Chancen und Risiken vielfach kritisch betrachtet. Als mögliche negative Folgen stehen eine induzierte Seismizität und das Verschmutzen des Grundwassers in Verbindung mit den erforderlichen Bohrungen tief unterhalb der Erdoberfläche häufig im Vordergrund. Andere Risiken lassen sich über technische Lösungen deutlich minimieren. Mineralische Ablagerungen, die zum Teil mit Radionukliden und Schwermetallen angereichert sind, können mithilfe von Hemmstoffen in Teilen der Anlage verhindert werden. Gase und Kohlenwasserstoffe können abgetrennt und anschließend in die Gesteinsschichten zurückgeführt werden. Generell gilt daher wie bei jeder Technologie, dass sich die Beteiligten im Vorfeld über Risiken im Klaren sind, sie gegen die Vorteile abwägen und geeignete Maßnahmen entwickeln, die nicht-akzeptable Risiken möglichst ausschließen – für den Schutz von Mensch und Natur auf dem Weg zu einer klimaneutralen Gesellschaft.
Wer mehr über die Energiegewinnung mittels Geothermie erfahren möchte, kann das Team von check.energy gerne ansprechen. Aktuelle Forschungsdaten zu Potenzial und direkte Nutzung geothermischer Energie in Deutschland bekommt ihr beim Geothermischen Informationssystem oder auch beim Bundesverband Geothermie.