Geothermik - Heizung aus der Erde

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1 Tektonik
1.1 Was ist Tektonik?
1.2 Plattentektonik
1.3 Plattentektonik und Geothermik

2 Geothermik
2.1 Was versteht man unter Geothermik
2.2 Hot- Dry- Rock- Verfahren
2.2.1 Das HDR- Verfahren am Beispiel von Soultz- sous- Forêts
2.2.2 Probleme des HDR- Verfahrens
2.3 Nutzen der Geothermik

3 Geothermische Anwendungsbeispiel
3.1 Das geothermische Kraftwerk in Larderello
3.2 „The Geysers“ in den USA
3.3 Geothermik in Deutschland

4 Zusammenfassung

5 Quellenverzeichnis

6 Anhang

Einleitung

Geothermik- die Heizung aus der Erde. Wer den Begriff Geothermik hört, kann sich meist nichts darunter vorstellen. Geothermik zählt zu den alternativen Energiequellen, wie Sonnen- und Windkraft. Im Gegensatz zu diesen ist die Geothermik jedoch von Tageszeit und Witterung unabhängig , das heißt sie ist jederzeit nutzbar. Obwohl die Geothermik eine gute Alternative zur herkömmlichen Energiegewinnung ist, ist über die Geothermik wenig bekannt, obwohl sie mittlerweile fast überall auf der Welt Anwendung findet. Im folgenden wird erst die Plattentektonik erläutert, dann die Geothermik und zum Schluß werden einige Länder mit geothermischer Nutzung und deren Verwendung vorgestellt.

1 Tektonik

1.1 Was ist Tektonik?

Die Tektonik ist ein Unterthema der Geologie. Die Tektonik befaßt sich mit dem Aufbau und Bewegungen der äußersten Erdschicht. Als erster Wissenschaftler entwickelte Alfred Wegener 1912 die Theorie der Plattenbewegungen. Seine Theorie besagte, dass es vor ca. 200 Millionen Jahren nur einen einzigen Kontinent, Pangäa gab. Seine Theorie stützt er auf Fossilienfunde an den Bruchstücken der Kontinentplatten.

Desweiteren kann man in folgender Abbildung mit bloßem Auge erkennen, dass die Ränder der Kontinente ineinander passen.

Die Kontinente (aus:Iceland Guide, Geologie) In der Abbildung wird verdeutlicht, inwiefern die Kontinentgrenzen zueinander passen.

Zunächst wurde Wegeners Theorie jedoch kritisiert und geriet in Vergessenheit. Erst in den sechziger Jahren wurde sie wieder aufgegriffen. Die Tektonik ist nochmals untergliedert bzw. spezialisiert. Die Plattentektonik befaßt sich mit dem Aufbau und den Verschiebungen der Erdplatten. Die Erdplatten befassen befinden sich in dem zähflüssigen Magmamantel der Erde. In diesem Magmamantel bewegen sie sich.

In den weiteren Ausführungen ist die Plattentektonik für die Geothermik von Bedeutung.¹

1.2 Die Plattentektonik

Sämtliche Platten bilden zusammen ein gigantisches Mosaik rund um die Erde. Es gibt sieben große und mehrere kleine Platten. Die Plattenränder stoßen im allgemeinen aneinander. Es gibt drei Arten von Rändern: konstruktive, destruktive und konservative.Konstruktive Ränder sind an auseinanderstrebenden ozeanischen Platten. Zwischen diesen Platten stößt Magma auf und es entsteht neue Kruste. Die Ränder werdendestruktiv genannt wenn zwei Platten gegeneinander gepreßt werden und sich dabei die Oberfläche einer der beiden Platten verkleinert. Werden zwei kontinentale Platten aneinandergepreßt, entstehen Gebirgsketten, welche sich inmitten des neuen Kontinents befinden. Kollidieren eine ozeanische und kontinentale Platte schiebt sich die Kruste der ozeanischen Platte in den Erdmantel und auf der kontinentalen Platte bildet sich eine Gebirgskette. Sie zwei ozeanische Platten an dem Zusammenstoß beteiligt entsteht eine Gebirgskette als Inselbogen. Ankonservativen Plattenrändern wird Erdkruste weder zerstört noch neu gebildet. Die Platten bewegen sich in horizontaler Richtung, was meist zu Erdbeben führt.²

Die sieben großen Platten sind:

1. Nordamerikanische Platte und Grönland
2. Südamerikanische Platte
3. Pazifische Platte Æ die einzige Pla tte, die kein Festland trägt
4. Euro- asiatische Platte
5. Afrikanische Platte
6. Indo- australische Platte
7. Antarktische Platte

Die sechs bedeutendsten kleinen Platten sind:

1) Nazca Platte
2) Kokos Platte
3) Karibische Platte
4) Philippinen Platte
5) Ägäische Platte
6) Arabische Platte

Für das Kraftwerk in Larderello sind die eurasische und eine kleinere, namentlich mir unbekannte, Platte (siehe Karte 2) von Bedeutung. In der Karte eins (siehe Anhang) sind die verschiedenen Platten eingezeichnet. Die Pfeile geben an in welche Richtungen sich die einzelnen Platten bewegen. Die Geschwindigkeiten mit denen sich die Platten annähern oder entfernen sind sehr unterschiedlich. Die Strecken, die die Platten in einem Jahr zurücklegen, liegen zwischen einem und zehn Zentimetern. Die langsamsten Platten sind die Südamerikanische und die Karibische Platte, die sich mit ca. einem Zentimeter pro Jahr voneinander entfernen. Die schnellsten Platten sind die Kokos und die Nazca Platte. Sie bewegen sich mit ca. zehn Zentimetern pro Jahr, die Kokos Platte unter den nordamerikanischen Kontinent und die Nazca Platte unter Südamerika.³

1.3 Plattentektonik und Geothermik

Der Zusammenhang zwischen Plattentektonik und Geothermik besteht darin, dass man zur Anwendung von Geothermik Anomalien in Bezug auf die Erdwärme benötigt (siehe 2.1). Diese Anomalien treten meist an Bruchstellen zweier Erdplatten auf. Daher ist es von Vorteil, einiges über die Plattentektonik, das heißt über die Lage der Erdplatten, zu wissen. Als Beispiel für eine geothermische Nutzung in Zusammenhang mit einer Bruchstelle zweier Erdplatten kann man „The Geysers“ in San Francisco (siehe 3.2) nennen. An der Küste von Kalifornien stößt die pazifische Platte auf die nordamerikanische Platte. Aus diesem Grund kommt es dort auch oftmals zu Erdbeben.⁴

2 Geothermik

2.1 Was versteht man unter Geothermik?

Zunächst sollte der Begriff „Geothermik“ geklärt werden. Das Wort Geothermik besteht aus zwei Komponenten. Zum einen aus „GEO“, welche die Bedeutung „Erde“ hat und zum anderen aus „THERMIK“, deren Bedeutung „Wärme“ ist. Daraus läßt sich ableiten, dass GeothermikErdwärmeheißt. Geothermik ist ein Teilgebiet der Geologie und befaßt sich weitestgehend mit der Nutzung der Erdwärme. Die geothermischen Energievorräte werden auch „rote Kohle“ genannt und scheinen schier unerschöpflich. Die, so gesehen,öffentlichen Repräsentanten dieser Energie, Warmwasserquellen und Thermen werden schon seit der Antike genutzt. Die Nutzung der Erdwärme wurde schon vielfältig eingesetzt unter anderem zum Baden, Kochen, Waschen und Heizen. Bereits 1500 v. Chr. soll das erste gemauerte Thermalbad auf Sizilien errichtet worden sein.

Die Erdwärme entsteht durch den Zerfall radioaktiver Elemente in der Erdkruste und im oberen Erdmantel. Die Erdwärme nimmt durchschnittlich um drei Grad Celsius pro 100 Meter zu. In Gebieten mit geothermischen Anomalien kann die Temperatur in einer Tiefe von einigen hundert Metern bereits bis zu 1000°C betragen. Geothermik wird hauptsächlich in Gebieten mit solchen Anomalien genutzt. Diese Gebiete befinden sich meist an Plattengrenzen und auf bzw. in der Nähe von vulkanischen Gebieten. Voraussetzung für geothermische Nutzung sind heiße Gesteinszonen nahe an der Erdoberfläche und ein natürliches oder künstlich angelegtes hydraulisches System, welches fähig ist, die Erdwärme in nutzbaren Mengen an die Oberfläche zu befördern. Außerdem muss das Verhältnis zwischen Arbeit, Erschließung und der Nutzbarkeitökonomisch vertretbar sein.⁵

2.2 Hot- Dry- Rock- Verfahren

In Gebieten ohne sichtbare Anomalien wird versucht, das Hot- Dry- Rock- Verfahren (HDR- Verfahren) anzuwenden. Die Idee zum HDR- Verfahren entwickelte sich aus den Versuchen von Wissenschaftlern, den Vorschlag amerikanischer Physiker, welcher 1970 gemacht wurde, Erdwärme auch in Gebieten ohne geothermischer Anomalien zu nutzen, in die Tat umzusetzen. 1996 gab es drei Entwicklungsgebiete, welche sich im japanischen Hijiori, im amerikanischen Los Alamos und im Soultz- sous- Forêts (oberer Rheingraben) befinden.

Voraussetzung für die Anwendung des HDR- Verfahrens sind Wärmeanomalien. Man bohrt ein Loch in den Boden bis man auf wasserundurchlässiges Gestein stößt. Ist man auf solches Gestein gestoßen, wird Wasser mit hohem Druck in das Loch gepumpt. Als Folge dessen wird das Gestein hydraulisch aufgebrochen. In dem aufgebrochenen Gestein ist dadurch ein Spaltsystem entstanden. In dieses Spaltsystem wird jetzt kaltes Wasser geleitet. Das Wasser soll sich nach dem Prinzip eines Durchlauferhitzers erwärmen und schließlich verdampfen. Der Dampf wird unter Druck durch ein zweites Bohrloch wieder an die Oberfläche befördert, wo er dann die Turbine eines Elektrizitätswerkes antreibt. Bei dem zweiten Bohrloch muss darauf geachtet werden, dass es weder zu nah noch zu weit vom ersten entfernt liegt. Wenn es zu nah liegt, erwärmt sich das Wasser nicht genug und wenn es zu weit entfernt ist, fließt eventuell gar kein Wasser, da das Gestein zu undurchlässig sein kann. Das Wasser, das im ersten Versuch eingesetzt wurde, wird, nachdem es sich wieder abgekühlt hat, wieder in das erste Bohrloch geleitet. Dadurch verringert sich der Wasserverbrauch.⁶

2.2.1 Das HDR- Verfahren am Beispiel von Soultz- sous- Forêts

In Soultz- Sous- Forêts mussten die Geologen 3600 Meter tief bohren bis sie auf Granit stießen. Nach dem hydraulischen Aufbrechen des Gesteins entstand ein Spaltsystem mit den Ausmaßen von 300 Metern Breite, 1200 Metern Länge und 1500 Metern Tiefe. Damit der Wasserdampf auch wieder an die Oberfläche kommt, mussten die Wissenschaftler ein zweites Loch bohren. Sie bohrten es direkt am Rand der Rissfläche in der Hoffnung, dass es weder zu nah noch zu weit entfernt lag. Nach dem ersten Durchlauf maßen die Forscher Temperaturen von 154°C. Mit Hilfe einer ins Bohrloch gesenkten Pumpe erhöhten die Wissenschaftler den Wasserfluß. Die Wissenschaftler sind der Meinung, dass man mit Hilfe stärkerer Geräte, die das Wasser schneller zirkulieren lassen, höhere Temperaturen ( 180- 190°C) erreichen kann.⁷

2.2.2 Probleme des HDR- Verfahren

Bei der Anwendung des HDR- Verfahrens können Probleme auftreten, die mit den natürlichen Eigenschaften des Wassers zusammenhängen. Das Wasser löst auf seinem Weg durch das Gestein Salze. Diese könnten die Leitungen verstopfen oder die Umwelt belasten. Diesem Problem kann man aus dem Weg gehen, indem man ein geschlossenes System benutzt. Unschlüssig sind sich die Wissenschaftler noch, ob der Entzug der Erdwärme negative Folgen hat. In Gebieten mit instabilen Gestein im Untergrund könnten Erdbeben ausgelöst werden. Dies ist jedoch nur eine Vermutung, da es hierfür bisher keine Hinweise gibt.⁸

2.3 Nutzen der geothermischen Nutzung

Der Vorrat an geothermischer Energie scheint für den Laien unendlich zu sein. Wissenschaftler gehen jedoch davon aus, dass eine geothermisch genutzte Wärmeanomalie nach 30 Jahren Nutzung erkaltet.

Die Erde kühlt sich seit ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren immer weiter ab. Jedoch wird sie durch den radioaktiven Zerfall von Isotopen wieder neu beheizt. Diesen Überlegungen nach ist Erdwärme also keine erneuerbare Energie, es gibt jedoch einen großen Vorrat. Allein die oberen zehn Kilometer der Erde enthalten soviel Energie, dass damit rund eine Million Kraftwerke mit einer Leistung von 200 Megawatt (MW) für ca. 10.000 Jahren angetrieben werden können. Ein Kraftwerk deckt den Energiebedarf von 200.000 Menschen. Besonders für Entwicklungsländer bietet sich diese Art der Energieerzeugung an. Wissenschaftler glauben, dass in 20 Jahren rund 2/3 des Energiebedarfs in Afrika und Mittelamerika mit Geothermie gedeckt werden kann.⁹

3 Geothermische Anwendungsbeispiele

3.1 Das geothermische Kraftwerk in Larderello

Italien liegt an der Konvergenzzone zweier Erdplatten. Die große eurasische Platte stößt auf eine kleinere, deren Name mir nicht bekannt ist. Dies kann man gut auf Karte zwei (siehe Anhang) erkennen.

Bereits 1870 nahm der Chemiker de Laderell im Valle dell‘Inferno (Höllental) mit Bohrungen auf borhaltigen Dampf die Borax- Gewinnung auf. Zur Jahrhundertwende ( 1904) startete man in Larderello die ersten Versuche, den Dampf als Energie zu nutzen. Die Borsäuregewinnung war schon seit Jahrhunderten ein blühender Industriezweig in der Toskana. Die Borsäure wurde aus den Soffionen¹⁰ eines Solfatarenfeldes¹¹ gewonnen. Am Anfang gab es jedoch enorme Schwierigkeiten. Während der Bohrungen stieß man mit zunehmender Tiefe auf den Gegendruck des Dampfes, der dann die Bohrköpfe zerstörte. Zudem verbrühten sich die Arbeiter häufig an dem heißen Dampf. Wenn man die Dämpfe unter Kontrolle hatte, mussten diese noch von schädlichen Stoffen wie Schwefelwasserstoff, Methan, Ammoniak uns Stickstoff gereinigt werden. Die Erfahrungen von Larderello wurden bei der Errichtung der geothermischen Kraftwerke in der Nähe des Vesuv, bei Ferrara und der Insel Vulcano genutzt. Bereits Anfang der Vierziger Jahre betrug die Generatorenleistung des Kraftwerks in Larderello rund 500 Millionen kWh. Während des zweiten Weltkrieges wurde das Werk vollkommen zerstört. Das Kraftwerk wurde bis 1950 wieder aufgebaut. Italien strebt eine jährliche Leistung von zehn Milliarden kWh (Stand 1976) an. Bis 1958 war Larderello das einzige geothermische Kraftwerk auf der Welt. Das Erdwärmekraftwerk deckte 1994 mit 625 MW elektrischer Leistung rund 1,5% des italienischen Strombedarfs.¹²

3.2 „The Geysers“in den USA

In den sechziger Jahren wurde in San Francisco das größte geothermische Kraftwerk, „The Geysers“, errichtet. Die Anlage befindet sich in den kalifornischen Mayacamas Mountains und erstreckt sich heutzutage über eine Fläche von 40 Quadratkilometern. Die Anlage startete mit einer Generatorenanlage. Die Anlage expandierte innerhalb von 20 Jahren so stark, dass sie heute aus 200 Dampfschächten und 15 Generatorenanlagen besteht. Das Kernkraftwerk erzeugt 1400 Megawatt, was ausreicht, um den größten Teil des Strombedarfs von San Francisco zu decken.

Allgemein gibt es in Kalifornien 14 Gebiete, in denen Geothermik zur Stromerzeugung genutzt wird. In der folgenden Karte sind diese Gebiete eingezeichnet.

Gebiete mit geothermischer Nutzung in San Francisco (aus: The Energy Story) Es werden jedoch nicht mehr alle genutzt. Gründe hierfür sind zum Beispiel zu knappe Ressourcen, eine zu abgelegene Lage oder die Temperatur des Wassers ist nicht hoch genug, um elektrischen Strom zu erzeugen. Es gibt fünf Hauptgebiete in Kalifornien:

1. „The Ge ysers“ nördlich von San Francisco
2. Der Nord- westliche Teil des „Lassen Volcanic National Park“
3. Das Mammoth Seen Gebiet, welches auf einem großen, erloschenen Vulkan liegt
4. Das Coso Hot Springs Gebiet in Inyo County
5. Der Imperial Valley in Südkalifornien

Die USA verfügt über eine geschätzte Kapazität von 23.000 Megawatt elektrischer Leistung, gewonnen aus Geothermik, auf 30 Jahre.¹³

3.3 Geothermik in Deutschland

Da es in Deutschland keine heißen Quellen gibt, wird die Erdwärme auch nicht zur Stromerzeugung, sondern lediglich zur Beheizung von Schwimmbädern, Gebäuden und Gewächshäusern genutzt.

Seit 1987 wird deshalb unter deutscher Leitung das Hot- Dry- Rock- Verfahren im elsässischen Soultz- sous- Forêts erforscht. Anomalien in Bezug auf die Erdwärme gibt es auch in Deutschland und zwar im Norddeutschen Becken, im Süddeutschen Molassebecken, zwischen Donau und Alpen und im Oberrheingraben.

In Deutschland gibt es zur Zeit ( Stand 1996) 20 geothermische Anlagen. Die neuesten befinden sich im niederbayerischen Strauburg und in Erding bei München. Christoph Clauser vom Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben in Hannover geht davon aus, dass rund 49% des deutschen Wärmebedarfs durch Geothermie gedeckt werden können.

4 Zusammenfassung

Trotz der anscheinenden Schwierigkeiten Geothermik überall zu nutzen, ist sie eine gute Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung. Wenn man die Kosten der in einem geothermischen Kraftwerk erzeugten Energie, mit der in einem herkömmlichen Kraftwerk erzeugten vergleicht, ist die geothermische Energie gut 25- 30% billiger. An besonders günstigen Standorten ist sie sogar billiger, als die Energie, die in einem Kernkraftwerk erzeugt wird. Im Gegensatz zur Kernenergie ist die Geothermik weitaus ungefährlicher. Überhaupt ist die Geothermik eine sehr saubere und umweltfreundliche Art der Energieerzeugung. Abstriche müssen jedoch in Hinblick auf die Effizienz gemacht werden. Würde der Dampf, der eine thermische Leistung von zwölf Megawatt Leistung hat, in Strom umgewandelt werden, würden nur noch 1,5 MW übrig bleiben. Zum Vergleich: In einem Kernkraftwerk werden 1400 MW Leistung erzielt. Als Fazit ist dennoch zu sagen, dass sie Geothermik Zukunft hat. Es müssten jedoch die bestehenden Methoden wie das HDRVerfahren noch verfeinert werden.

(aus http://www.hea.de/schule/linfo3.html )

Selbst die Karikaturisten haben sich dem Thema der Geothermik schon zugewandt. Wer heutzutage also schlau ist und Heizkosten sparen möchte, baut seine Wohnung Untertage.

5 Quellenverzeichnis

I. BÜCHER

Kohler, Pierre, 1987, Vulkane, Kraft aus der Erde, Breitschopf, Stuttgart Ruggieri, Gabriella und Mario, 1978, Vulkane, Tessloff Verlag, Hamburg

Tazieff, Haroun, 1972, Vulkanismus und Kontinentalwanderung, Deutsche Verlags- Anstalt GmbH, Stuttgart

Wille, Hermann Heinz, 1976, Vorstoß ins Innere der Erde, Union Verlag Stuttgart

II. INTERNET- ADRESSEN

- The Energy Story, http://www.energy.ca.gov/development/geothermal/index.html

- Wissenschaft und Technik, http://www.strom.de/ak_wt_97htm-18

- Renate Ell (1998): Die Erde anzapfen, SZ vom 15.12.1998, Ressort

Wissenschaft, http://www.sueddeutsche.de/wissenschaft/alter/alter-li.html

- Michael Weissleder (1996): Ein Durchlauferhitzer für 50.000

Menschen, SZ vom 26.09.1996, Ressort Wissenschaft,

Http://www.sueddeutsche.dewissenschaftler/alter/alter-li.html

- Iceland Guide, Geologie, http://www.iceland.de/info.html

III. ANONYM

- Reader‘s Digest: Welt Atlas 1993 Verlag Das Beste GmbH, Stuttgart
- Redaktion der Time- Life Bücher, 1982, Der Planet Erde: Vulkane, Time- Life Bücher, Amsterdam
- Redaktion der Time- Life Bücher, 1983, Der Planet Erde: Driftende Kontinente, Time- Life Bücher, Amsterdam
- Microsoft Encarta, Stichwörter: Tektonik und Geothermie

6 Anhang

Karte 1

Karte 2

[...]

¹ Vulkanismus und Kontinentalwanderung, Iceland Guide

² Reader‘s Digest

³ Vulkane, Kraft aus der Erde

⁴ SZ vom 26.09.96

⁵ Energy Story, Vorstoß ins Innere der Erde, www.strom.de

⁶ SZ vom 15.12.98 und 26.09.96

⁷ SZ vom 26.09.96

⁸ SZ vom 26.09.96

⁹ SZ vom 26.09.96

¹⁰ Soffione: Ausströmen von borhaltigem Wasserdampf

¹¹ Solfatare: Ausströmen von schwefelhaltigem Wasserdampf

¹² Vulkane, Vorstoß ins Innere der Erde

¹³ The Energy Story