Oberflächennahe Geothermie, dargestellt am Beispiel des Berliner Reichstagsgebäudes

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Einführung in die Geothermie
2.1 Was ist Geothermie?
2.1.1 Entstehung und Aufbau der Erde
2.1.2 Geologische und hydrogeologische Voraussetzungen
2.1.3 Temperaturen der Lithosphäre
2.1.3.1 Terrestrische Wärmestromdichte
2.1.3.2 Wärmebilanz an der Erdoberfläche
2.1.3.3 Geothermische Wärmevorkommen und ihr Angebotscharakter

3 Oberflächennahe Geothermie
3.1 W ärmequellenanlagen
3.1.1 Geschlossener Typ
3.1.2 Offener Typ
3.1.3 Sonstige Typen
3.2 Wärmepumpen
3.2.1 Physikalische Grundlagen der Wärmepumpe
3.2.1.1 Reale und ideale Gase
3.2.1.2 Van-der-Waals-Gleichung
3.2.1.3 Joule-Thomson-Effekt
3.2.1.4 Carnotscher Kreisprozess
3.2.2 Kompressionswärmepumpe
3.2.2.1 Wärmeübertrager
3.2.2.2 Verdichter
3.2.2.3 Expansionsventil
3.2.3 Sorptionswärmepumpe
3.2.4 Schmier-, Arbeitsmittel und Arbeitsstoffpaare
3.2.5 Effizienz

4 Bohrverfahren

5 Politische und rechtliche Rahmenbedingungen
5.1 Bergrechtliche Belange
5.2 Wasserrechtliche Belange
5.3 Naturschutzrechtliche Belange
5.4 Immissionsschutzrechtliche Belange
5.5 Bodenschutzrechtliche Belange

6 Das Reichstagsgebäude in Berlin
6.1 Geschichte des Reichstagsgebäudes bis zur Wiedervereinigung
6.2 Umbau des Berliner Reichstages durch Sir Norman Foster
6.3 Technikverbund der Parlamentsbauten
6.4 Aquiferspeicher des Reichstagsgebäudes
6.4.1 Effizienz der Aquiferspeicher
6.4.2 Geologische und hydrogeologische Gegebenheiten der Aquiferspeicher
6.4.3 Geochemie und Brunnenalterung der Aquiferspeicher

7 Kritische Betrachtung und Nutzungskonflikte

8 Fazit

Anhang

Literaturverzeichnis

Zeitschriftenverzeichnis

Verzeichnis der Internetquellen

Rechtsgrundlagenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Verzeichnis der verwendeten Einheiten

Verzeichnis der Vorsätze bei Einheiten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Temperaturbilanz an der Erdoberfläche

Abbildung 2: Der konzentrische Schalenaufbau des Erdinneren

Abbildung 3: Darstellung der Veränderung der vermuteten Temperaturen und Schmelzpunkte mit zunehmender Tiefe

Abbildung 4: Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter

Abbildung 5: Verlegemuster horizontaler Wärmeübertrager

Abbildung 6: Anordnungsvarianten von vertikal verlegten gebohrten und gerammten Erdreich­wärmeübertragern

Abbildung 7: Ausführungsvarianten von gebräuchlichen Erdwärmesonden

Abbildung 8: Prinzipschema einer Grundwasser-Wärmepumpenanlage

Abbildung 9: p/V-Diagramm eines linksläufigen Carnotschen Kreisprozesses

Abbildung 10: Schemadarstellung einer Kompressionswärmepumpe

Abbildung 11: Vollhermetischer Hubkolben-Verdichter Danfoss-Maneurop

Abbildung 12: Aufbau eines Scroll-Verdichters

Abbildung 13: Prinzipbild einer Absorptionswärmepumpe

Abbildung 14: T/s-Diagramm des Carnot Kreisprozesses

Abbildung 15: T/s-Diagramm eines idealisierten wirklichen Wärmepumpenprozesses

Abbildung 16: Einzug der parallelen Pumpen- und Injektionsstränge

Abbildung 17: Bundesbauten im Spreebogen Berlin

Abbildung 18: Prinzipschema der Aquiferspeicher im Untergrund der Parlamentsbauten im Spreebogen(oben Kältespeicherung; unten Wärmespeicherung; nicht maßstabsgetreu)

Abbildung 19: Vereinfachte Darstellung eines Aquiferspeichers im Einspeicherbetrieb

Abbildung 20: Vereinfachte Darstellung eines Aquiferspeichers im Ausspeicherbetrieb

Abbildung 21: Saisonale Energiebilanz für den Wärmespeicherbetrieb

Abbildung 22: Rückgewinnungsgrad in Abhängigkeit von der Injektionstemperatur an der warmen Bohrung

Abbildung 23: Saisonale Energiebilanz für den Kältespeicherbetrieb

Abbildung 24: Geologisches Profil am Standort Berlin-Spreebogen IV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Thermische Kennwerte ausgewählter Gesteine

Tabelle 2: Varianten der Erschließung der Energie des flachen Untergrunds

Tabelle 3: Durchschnittlich entzogene Wärmeleistung aus dem Erdreich

Tabelle 4: Spezifische Entzugsleistung für Erdwärmesonden in kleineren Anlagen für verschiedene Volllastbenutzungsstunden

Tabelle 5: Kennzahlen von Wärmepumpen

1 Einleitung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem speziellen Bereich der Emeuerbaren Energien^[1] - der Geothermie.

Man unterscheidet dabei zwischen einer tiefen Geothermie und einer oberflächennahen Geothermie. Während mit Hilfe der tiefen Geothermie Strom erzeugt werden kann, dient die oberflächennahe Geothermie in der Regel der Versorgung mit thermischer Energie. Letzteres darzustellen ist eigentliches Thema der vorliegenden Arbeit.

Mit einem Anteil von unter 10 % am Gesamt-Endenergieverbrauch Deutschlands (Stand 2007 )^[2] kommt den Erneuerbaren Energien bisher eine vergleichsweise geringe Bedeutung zu. Der wesentliche Anteil wird nach wie vor aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle gewonnen und bereitgestellt.

Allerdings zeichnen sich bereits seit geraumer Zeit gravierende Veränderungen in der Weltenergiewirtschaft ab. Zahlreiche Kooperationsbestrebungen auf internationaler, europäischer und nationaler Ebene spiegeln den Handlungsdruck, der sich durch Risiken einseitiger Energieversorgung, durch Importabhängigkeiten, durch steigende Preise und sich verändernde Umweltbedingungen ergibt, wieder.^[3]

Ziel sowohl deutscher als auch europäischer Energiepolitik ist es, eine verringerte Abhängigkeit von Energieimporten aus zum Teil politisch instabilen Regionen durch die Förderung Erneuerbarer Energien zu erzielen und so eine höhere Versorgungssicherheit zu schaffen. Gleichzeitig kann so ein Beitrag zur Verringerung der Konflikte um fossile Energiequellen geleistet werden.^[4]

Ein umweltbedingter Handlungsdruck entsteht durch die intensive Nutzung der beschriebenen Energieträger. Ihre Nutzung führt zu einem Anstieg der Konzentration an klimaschädlichen Gasen, die im Verdacht stehen, den Treibhauseffekt maßgeblich zu verstärken. Auch der derzeit prognostizierte Klimawandel ist möglicherweise auf die

Nutzung dieser Energieträger zurückzuführen.^[5] Deshalb wurden zahlreiche Vereinbarungen und Abkommen zur Senkung des Ausstoßes entsprechender Gase beschlossen.

Ein weiterer Faktor ist die Endlichkeit fossiler Brennstoffe, welche zu einem ständigen Preisanstieg führen wird. Damit könnten Erneuerbare Energien in absehbarer Zeit subventionsfrei und auch konkurrenzfähig werden. Auch der von Deutschland beschlossene Ausstieg aus der Atomenergie verlangt eine alternative Energieversorgung, die durch verschiedene Erneuerbare Energien bereitgestellt werden könnte. Allerdings ist hierbei anzumerken, dass nicht jede Erneuerbare Energie auch als sozial und umweltverträglich gilt.

In diesem Kontext spielt die Geothermie eine besonders interessante Rolle. Hierbei handelt es sich um eine der wenigen Erneuerbaren Energien, die grundlastfähig ist. Das bedeutet, dass Energie unabhängig von äußeren Faktoren dauerhaft zur Verfügung steht.

Die vorliegende Arbeit befasst sich zunächst mit dem Begriff der Geothermie allgemein, um sich anschließend Aspekten der „Herkunft“ und Ausprägung der als Geothermie bezeichn eten Energieform zu widmen. Weiterhin werden die wesentlichen

Wärmevorkommen und der Angebotscharakter der Geothermie dargestellt, um im Anschluss daran den Unterschied zur oberflächennahen Geothermie aufzuzeigen.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt hierbei auf den technischen Systembauteilen einer Anlage zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie sowie deren physikalischen Gesetzmäßigkeiten.

In den sich anschließenden Kapiteln werden unterschiedliche Bohrverfahren sowie die politischen und wichtigsten rechtlichen Rahmenbedingungen näher erläutert.

Nach den theoretisch ausgerichteten Grundlagen wird das Beispiel der thermischen Aquiferspeicher des Reichstagsgebäudes im Parlamentsviertel von Berlin beispielhaft aufgegriffen und erläutert. Um zu verstehen, welchen symbolischen Charakter das Reichstagsgebäude aufweist, wird zunächst kurz auf die Geschichte des Gebäudes eingegangen. Anschließend wird dessen Umbau unter besonderer Berücksichtigung einer entsprechenden Energieversorgung dargestellt und folgend die Anlage der Aquiferspeicher selbst unter technischen, energetischen, geologischen, hydrogeologischen sowie geochemischen Gesichtspunkten betrachtet.

Insgesamt versucht die vorliegende Arbeit einen Überblick über den Stand der oberflächennahen Geothermie zu geben und diesen anhand des Energiekonzeptes des

Reichstagsgebäudes zu präzisieren. Um die Darstellungen abzurunden, werden zum Abschluss Risiken der Geothermie und potenzielle Nutzungskonflikte beispielhaft dargestellt und erläutert.

2 Einführung in die Geothermie

Im folgenden Kapitel wird in das Themenfeld der oberflächennahen Geothermie eingeführt. Dabei stellt sich zunächst die Frage nach der Geothermie im Allgemeinen. Anschließend wird der Ursprung der nutzbaren Energien sowie das Energieangebot näher dargestellt und erläutert.

2.1 Was ist Geothermie?

Um sich dem Themenkomplex der oberflächennahen Geothermie nähern zu können, ist es hilfreich, zunächst die wörtliche Bedeutung des Begriffs „Geothermie“ zu klären.

Bei der Silbe „geo“ handelt es sich um eine Vorsilbe, die ursprünglich auf den griechischen Wortstamm „yff‘ (ge oder gai, latinisiert gä) zurückgeht und die Bezug auf die „Erde“, teilweise auch auf das „Land“ nimmt. Wie viele dieser Silben und Wörter hat auch die Silbe „geo“ durch die lateinische Transkription der griechischen Wörter eine gewandelte Schreibweise erfahren.^{[6] [7]}

Heute lassen sich Begriffe wie Gaia, Geodäsie, Geologie, Geographie, Geomantik, Geomorphologie sowie Geowissenschaften von der Silbe „Geo“ ableiten. Auch findet die

Vorsilbe Anwendung bei der Bezeichnung von wissenschaftlichen Teildisziplinen etwa der Geobotanik oder der Geochemie.^[8]

Die Silbe „therm“ lässt sich ebenfalls auf die griechische Sprache zurückführen, „θερμός“ kann mit warm, heiß oder hitzig übersetzt werden. Diverse Bezeichnungen wie etwa Therme, thermisch, Thermosflasche, Thermometer, endotherm, exotherm, die sich auf Temperaturen und Wärme beziehen, tragen die Silbe „therm“ oder „thermo“.^[9]

Des Weiteren handelt es sich bei dem Begriff „das Thermie“ [th] um eine veraltete britische Maßeinheit der Wärmemenge.^[10]

Folglich kann der Begriff der „Geothermie“ mit dem Wort Erdwärme übersetzt werden. Entsprechend einer Vielzahl von wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die sich mit der Geothermie beschäftigen, werden im Folgenden die beiden Begriffe synonym verwendet.

So definiert auch Kaltschmitt:

„ Unter dem Begriff der Erdwärme wird, gleichbedeutend mit dem Wort Geothermie, welches sich aus dem Griechischen ableiten lässt und geo, Erde und therme, Wärme bedeutet, im Zusammenhang mit der Nutzung von Erdwärme, die in Form von thermischer Energie gespeicherte Wärme unterhalb der festen Oberfläche verstanden.“^[11]

Die entsprechenden VDI Richtlinien^[12] 4640 Blatt 1 sowie der überarbeitete Entwurf des Blattes 1 definiert geothermische Energie ebenfalls als die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde.^[13]

Thomsen führt weiter aus, dass es dabei uninteressant ist,^[14] ob die gespeicherte Energie aus dem geothermischen Wärmefluss, also aus dem Erdinneren resultiert oder ob die Energie der Atmosphäre entstammt, welche hauptsächlich durch solare Einstrahlung beeinflusst wird.^[15]

Zum einen versteht man im ingenieurtechnischen Sinne unter Geothermie also die Nutzung der thermischen Energie zur Gewinnung von Strom, Wärme und Kälteenergie^[16], zum anderen aber auch die wissenschaftlichen Forschungen über die thermische Beschaffenheit des Erdkörpers.^[17]

Somit stellt sich die grundlegende Frage, woher die frei werdende Energie kommt, die augenscheinlich genutzt werden kann und wie sie „entsteht“. Hierzu muss zunächst der Begriff der Energie geklärt werden.

Nach Max Plank wird Energie als die Fähigkeit eines Systems verstanden, äußere Wirkungen hervorzubringen. Hierbei lassen sich verschiedene Formen der Energie wie etwa mechanische, thermische, elektrische und chemische Energie oder auch Kernenergie klassifizieren. Die Einheit der Energie wird in Joule [J] angegeben, wobei definitionsgemäß
die Gesamtenergie eines geschlossenen Systems nicht verloren gehen kann. Sie kann nur in andere Formen überführt werden.^[18]

Als regenerativ oder erneuerbar wird Energie bezeichnet, wenn entsprechende Energieflüsse aus natürlichen und unbeeinflussbaren Prozessen kontinuierlich und technisch nicht steuerbar freigesetzt werden. Diese auch als Energiequellen bezeichneten Energievorräte werden aus menschlicher Sicht als unerschöpflich angesehen. Natürlich sind auch diese Vorräte nicht unendlich, entscheidend ist der zu betrachtende Zeitraum.^[19]

Da eine genauere Betrachtung des Themenkomplexes Erneuerbarer Energien den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde, verweise ich in diesem Zusammenhang auf das Werk„Erneuerbare Energien; Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte“ .^[20]

Betrachtet man die verschiedenen Formen Erneuerbarer Energien, so lassen sie sich grundsätzlich auf drei Quellen zurückführen: Erstens auf die Strahlungsfelder der Sonne(Solarstrahlung), zweitens auf die Bewegung unseres Planeten sowie Einflüsse, die benachbarte Himmelskörper ausüben und drittens auf die aus dem Erdinneren dringende bzw. durch Zerfall in Kruste und Kern frei werdende thermische Energie, die als Wärmestrom langsam Richtung Oberfläche gelangt. Dieser wird als konvektiver wärmestrom bezeichnet.^[21]

Woher stammt nun aber die Energie, die durch geothermische Anlagen nutzbar gemacht werden kann? Letztendlich stammt die Energie anteilig aus jeder der genannten Quellen.

Die Sonne ist der uns am nächsten gelegene Stern, in ihrem Zentrum verschmilzt Wasserstoff in einer Kernfusion zu Helium, wobei der resultierende Masseverlust in Energie umgewandelt wird, es herrschen Temperaturen von ca. 15MK. Die innerhalb der Sonne frei werdende Energie gelangt zunächst an die Sonnenoberfläche, von wo aus sie an den umgebenden Weltraum abgegeben wird. Bei denen die Sonne verlassenden Energieströmen wird in Materienstrahlung und elektromagnetischer Strahlung unterschieden.^[22] Diese Strahlungen - insbesondere die elektromagnetische - wird zum großen Teil durch Atmosphäre und terrestrisches Magnetfeld absorbiert und reflektiert.^[23]

Der Strom der Energie, der von der Sonne stammt und die Erde tatsächlich erreicht, beträgt täglich etwa 17 x 1013MW.^[24]

Durch die Ellipsenbahn, die die Erde um die Sonne beschreibt und durch die Rotation der Erde selbst sowie durch deren Ekliptik entstehen tages- und jahreszeitliche Angebotsvarianzen dieser Strahlung auf der Erdoberfläche. Aus diesen Varianzen ergeben sich entsprechende Ausgleichsströmungen wie Winde und Meeresströmungen, die für einen Ausgleich der thermischen Energie sorgen. Somit verändert sich die Temperatur in den obersten Bereichen der Erdoberfläche im Tag- Nachtwechsel sowie im Wechsel der Jahreszeiten. Hinzu kommt von Solarstrahlung aufgeheiztes Wasser, das versickert oder auf anderem Wege in den Untergrund gelangt und dabei auch entsprechende thermische Energie mit in die Tiefe führt.^[25] Dieser direkte oder indirekte solare Energieeintrag sorgt dafür, dass der konvektive Wärmestrom aus dem Untergrund überlagert wird und somit nur einen geringen Einfluss auf die tatsächlichen Temperaturen in den obersten Schichten von 10 bis 20m nehmen kann. Die obersten wenigen Zentimeter werden noch durch den Tag- und Nachtzyklus thermisch beeinflusst. Die anschließenden Meter werden in Abhängigkeit von Region und Untergrund durch jahreszeitliche Temperaturschwankungen geprägt. Der Einfluss dieser Veränderungen nimmt mit der Tiefe ab (vgl. Abb. 1). Da der Untergrund eine gewisse Zeit benötigt, Temperaturen an seine Umgebung weiterzugeben, setzen sich die Veränderungen der Bodentemperaturen zeitversetzt in die Tiefe fort. Insbesondere Wasser, das als thermales Trägermedium dient, kann Energie auch in größere Tiefen mitführen und in Grundwasserleitern an den umgebenden Untergrund abgeben.^[26] Bis zu welcher Tiefe Wasser Einfluss auf das Temperaturniveau des Untergrundes hat, hängt maßgeblich von der Sickergeschwindigkeit, dem Porenraum bzw. der Korngröße sowie dem Vermögen des umgebenden Materials ab, thermische Energie aufzunehmen (vgl. S. 12 ff.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Temperaturbilanz an der Erdoberfläche^[27]

Der sich darunter anschließende Tiefenbereich wird als neutrale Zone bezeichnet. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass die Amplitude der jahreszeitlich bedingten Schwankungen

nicht größer als 0,1K ist. Dieses wird entsprechend in den VDI Richtlinien 4640 definiert.

Die Temperatur stimmt in dieser Tiefenregion etwa mit dem Jahresmittelwert überein.^[28]

Die thermische Energie, die unterhalb der neutralen Zone in der Erdkruste der Lithosphäre^[29] nachweisbar ist, lässt sich zum einen auf die Entstehung der Erde und damit auf gravitative Kräfte, zum anderen auf den stetigen radioaktiven Zerfall zurückführen.

2.1.1 Entstehung und Aufbau der Erde

Will man verstehen, wie die Wärmeenergie innerhalb der Lithosphäre entsteht, muss man sich zunächst mit der Entstehung und dem Aufbau unseres Planeten beschäftigen. Auf einzelne Entstehungstheorien einzugehen, geht über den Rahmen der vorliegenden Arbeit hinaus. Es sollen in erster Linie energierelevante und thermische Prozesse berücksichtigt werden.

Wie und wann die Erde entstand, ist bis heute Bestandteil wissenschaftlicher Diskussionen. Die ältesten je gefundenen Gesteine konnten auf rund 3,5 Milliarden Jahre datiert werden. Das wissenschaftlich allgemein akzeptierte Alter der Erde liegt bei 4,5 Milliarden Jahren. Wissenschaftler gehen heute davon aus, dass die Erde im so genannten Hadaikum aus einem Nebel, einer Wolke aus Gas und Staub, entstand.^[30]

Einig ist man sich darüber, dass sich anfangs ein so genannter Sonnennebel gebildet hat, der sich durch Rotation immer weiter verdichtete. Schätzungen zufolge brach diese Wolke vor 4,6 bis 4,7 Milliarden Jahren in sich zusammen. Durch diese Kontraktion erhöhte sich aufgrund der notwendigen Erhaltung des Bahndrehimpulses die Rotationsgeschwindigkeit des Gebildes, wodurch sich, im Zusammenspiel mit der Schwerkraft, die Materie entlang elliptischer Bahnen zu konzentrieren begann. Dieser Vorgang wird auch als Akkretion bezeichnet. Die im Zentrum akkumulierte Masse erreichte dabei eine so hohe Dichte, dass ein nuklearer Fusionsprozess einsetzte; die Sonne war geboren. Die übrige, um die Sonne kreisende Materie, ballte sich nun zu frühen Planeten zusammen.^[31]

Die im jungen Sonnensystem kreisende „Urerde“ unterschied sich noch grundlegend vom Planeten, wie wir ihn heute kennen. Sie hatte sich noch nicht zu ihrer heutigen annähernd runden Gestalt stabilisiert und besaß noch keine feste Oberfläche. Der ursprüngliche Protoplanet wuchs durch häufige Einschläge von Meteoriten, da das frühe Sonnensystem noch viel Materie enthielt, die nicht in Form von Planeten gebunden war. Teile davon zog die Erde durch ihre große Masse an und absorbierte sie in ihrem teilweise aufgeschmolzenen Körper.^[32] Bei diesem Prozess, so wird von einigen Wissenschaftlern vermutet, gelangten große Energiemengen (Bewegungsenergie) auf die Urerde. Diese Energie wurde in thermische Energie umgewandelt und konnte wegen der konstant hohen Einschläge weiterer Himmelskörper nicht in dem Maße abgestrahlt werden, wie sie aufgenommen wurde. Somit wurde weniger thermische Energie abgeben als zugeführt.^[33]

Nach und nach bildete sich durch gravitative Differentiation der schalenförmige Aufbau der Erde. Elemente mit hoher Dichte sammelten sich im Mittelpunkt, dem Erdkern. Mit abnehmender Dichte folgten dann der Erdmantel und schließlich die noch nicht verfestigte Erdkruste. In den darauf folgenden Phasen der Erdgeschichte, dem Archaikum und dem Proterozoikum, sank zunächst die Oberflächentemperatur der Erde, wodurch sich eine feste Kruste bildete. Anschließend entwickelten sich erste biogene Aktivitäten.^[34] Etwa seit diesem Zeitpunkt lässt sich eine abiotische Gliederung der Erde in drei Bereiche vornehmen: In die feste Erdoberfläche, die als Lithosphäre bezeichnet wird, die Hydrosphäre, eine diskontinuierliche Flüssigkeitsschicht sowie die Atmosphäre, eine gasförmige kontinuierliche Hülle um die Erde.^[35]

Für die vorliegende Arbeit ist hauptsächlich die Lithosphäre von Bedeutung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Der konzentrische Schalenaufbau des Erdinneren 1. Kruste, 2. Mantel, 3. Äußerer Kern,4. Innerer Kern^[36]

Betrachtet man den Aufbau der Erde heute, so lassen sich unterschiedliche physikalische Eigenschaften in unterschiedlichen Tiefen nachweisen. Hierdurch kann man auf eine Abfolge von Schichten schließen, welche im Folgenden von innen nach außen beschrieben werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Darstellung der Veränderung der vermuteten Temperaturen und Schmelzpunkte mit zunehmender Tiefe^[37]

Der Erdkern weist eine hohe Dichte auf und besteht, wie angenommen wird, hauptsächlich aus Eisen und zu geringen Mengen aus anderen Elementen wie etwa Nickel. Er weist eine Temperatur von ca. 5500°C bei sehr hohem Druck auf. Er lässt sich in einen inneren und einen äußeren Kern gliedern, wobei davon ausgegangen wird, dass der innere Kern fest und der äußere flüssig ist.

Die mittlere Schicht, der Erdmantel, hat eine Mächtigkeit von etwa 2000km und besteht vorwiegend aus Peridotit und dem Mineral Olivin.^[38] Der Übergang zwischen Kern und Mantel wird als Gutenberg-Diskontinuität bezeichnet und liegt bei etwa 2900km Tiefe. Die Temperatur nahe dieser Diskontinuität im Mantel beträgt ca. 5000°C, mit zunehmender Distanz vom Kern sinkt sie auf etwa 1300°C. Auch der Mantel lässt sich aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften zweiteilen. Der dem Erdkern nähere Bereich, die Astenosphäre, ist so heiß, dass ihr Material halbflüssig und verformbar ist. Die darüber liegende Schicht ist fest und definitionsgemäß bereits ein Anteil der Lithosphäre.

Bei der Grenze zwischen Mantel und Kruste handelt es sich um gravierende Veränderungen in Aufbau und Dichte, die nach dem jugoslawischen Seismologen Mohorovicic- Diskontinuität genannt wird. Sowohl die Kruste als auch der feste Teil des Mantels werden zusammen als Lithosphäre bezeichnet. Die Kruste hat eine vergleichsweise geringe Stärkevon 6 bis 70km und ebenfalls eine deutlich geringere Dichte. Auch sie lässt sich in zwei wesentliche Anteile untergliedern, in die kontinentale und die ozeanische Kruste. Die kontinentale Kruste, auch Sial genannt, weist eine vergleichbar geringe Dichte von durchschnittlich 2,7g/cm3 auf und erreicht Mächtigkeiten von 35 bis 40km, unter hohen Gebirgen sogar bis zu 70km. Sie besteht überwiegend aus Granit und Basaltgestein.

Die ozeanische Kruste, auch als Sima bezeichnet, hat eine höhere Dichte von etwa 3,0 bis 3,3g/cm3 und besitzt durchschnittlich eine vergleichbar geringe Mächtigkeit von 5 bis 6km.Sie besteht hauptsächlich aus Basalt.^[39]

2.1.2 Geologische und hydrogeologische Voraussetzungen

Betrachtet man die geologischen und hydrogeologischen Voraussetzungen, die nötig sind um Erdwärme in einer bestimmten Region nutzen zu können, so ist der Schichtenaufbau des Untergrundes sowie dessen Eigenschaften entscheidend.

Es scheint gesichert, dass die Plattentektonik seit der Wende des Archaikum zum Proterozoikum, also vor ca. 2,5 Milliarden Jahren, aktiv wurde bzw. sich ausgebildet hat.^[40] Von diesem Zeitpunkt an begann sich die Oberfläche der Erde beständig zu verändern. Abgesehen von den sich verschiebenden und bewegenden Platten, ist auch die Oberfläche an sich ständigen Veränderungen unterworfen. So wird das Grundgestein, das die Lithosphäre und durch entsprechende tektonische Vorgänge auch die Gebirge bildet, durch verschiedene Verwitterungsvorgänge zerkleinert. Diese als Erosion bekannten Phänomene bestehen aus physikalischen, chemischen und biogenen Prozessen, die als Ergebnis zerkleinertes Substrat hervorbringen, das als Regolith oder Gesteinsklein bezeichnet wird. Sie werden zusätzlich durch eine Denudation begleitet, welche die Bewegung von Oberflächenmaterial gemäß der Hangabtriebskraft in die Täler beschreibt. Später wird sie meist durch fluviale Vorgänge ergänzt, die feinstes Material bis in die Ozeane transportieren. Je nach Intensität äußerer Einflüsse wie beispielsweise Temperatur, Niederschlag oder Strahlung sowie in Abhängigkeit vom Ausgangsgestein und entsprechender Reaktionen können sich aus diesem Gesteinsklein Böden entwickeln. Diese sich entwickelnden Böden geben wesentlichen Aufschluss über die während der Bodenbildung herrschenden Klima- und Umweltbedingungen.^[41]

Demnach bilden sich seit nunmehr 2,5 Milliarden Jahren unterschiedliche Böden über dem Grundgestein der Lithosphäre. In Abhängigkeit von den sich im Laufe der Zeit verändernden Einflüssen bildeten und überlagerten sich entsprechend unterschiedliche Böden. Hierbei ist zusätzlich anzumerken, dass es an verschiedenen Stellen der Erde Regionen gibt, die erdgeschichtlich betrachtet maritim und kontinental geprägt wurden. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ablagerungen, Bodenbildungsprozesse und weiterer charakteristischer Beeinflussungen des Untergrundes, beispielsweise durch gravierende klimatische Veränderungen, bildeten sich im Laufe der Jahrtausende charakteristische Schichtungen, die aufgrund ihrer Genese unterschiedlichste Eigenschaften aufweisen.^[42]

Die für die oberflächennahe Geothermie entscheidenden Eigenschaften wie etwa das Verhalten des Untergrundes beim Entzug thermischer Energie, sind im Wesentlichen von zwei Parametern abhängig. Zum einen ist das anstehende Gestein und dessen Aufbau entscheidend, zum anderen ist das Maß der Wassersättigung ausschlaggebend für die potenzielle geothermische Nutzbarkeit einer Region. Entsprechende Eigenschaften des Untergrundes werden in der VDI Richtlinie 4640 als Wärmekapazität cp und Wärmeleitfähigkeit λ bezeichnet.^[43] Während die Wärmekapazität die Fähigkeit des Bodens beschreibt, thermische Energie zu speichern, stellt die mittlere Leitfähigkeit das Vermögen des Bodens dar, diese Energie weiterzuleiten. Beide Parameter steigen signifikant mit der Wassersättigung. Entsprechende thermische Kennwerte werden in der VDI Richtlinie 4640 bezogen auf ausgewählte Fest- und Lockergesteine tabellarisch wie folgt dargestellt.^[44]

Tabelle 1: Thermische Kennwerte ausgewählter Gesteine^[45]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Somit fällt dem Grundwasser eine entscheidende Rolle zu. Laut der DIN 4049 ist Grundwasser:

„unterirdisches Wasser, das Hohlräume der Lithosphäre zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegungsmöglichkeit ausschließlich durch die Schwerkraft bestimmt wird.“^[46]

Als Grundwasser bezeichnet man jedes Wasser unterhalb der Erdoberfläche, unabhängig von der Herkunft, mit Ausnahme von unterirdischen Teilstücken oberirdischer Wasserläufe. Dabei ist es unerheblich, ob sich das Wasser in Poren, Trennflächen, Störungen, Klüften, Schichtfugen oder auch in größeren Hohlräumen befindet, wie sie etwa durch Verkarstungentsteht.^[47] Somit lassen sich Grundwässer entsprechend der ihnen zur Verfügung stehenden Hohlräume in Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter sowie anthropogen erzeugte Hohlräume untergliedern.

Abbildung 4: Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter^[48]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Poren werden die nicht von Substrat gefüllten Bereiche zwischen einzelnen Gesteins­oder Sedimentkörnern bezeichnet. Je nach dem, auf welche Art das Substrat entstand und wie es transportiert wurde, weist es charakteristische Merkmale wie Größe, Oberflächenbeschaffenheit oder Form auf. Somit unterscheiden sich auch die entstehenden Hohlräume in Abhängigkeit von den beschriebenen Faktoren.

Kluftgrundwasserleiter entstehen in Regionen, in denen das Grundwasser sich in Festgestein bewegt. In Deutschland besteht ca. 53,4% der Oberfläche aus Festgestein. Dieses bildet, anders als eine Ansammlung von Körnern, keine Poren aus, sondern Trennflächen, die hydrologisch wirksame Räume bilden. Die Neigung eines Gesteins zu reißen und Klüfte auszubilden, hängt zum einen von den äußeren Einflüssen ab, zum anderen vom Aufbau des Gesteins selbst und seiner Verformbarkeit.

Als Karst-Hohlräume werden Sonderformen der Kluft-Hohlräume verstanden, welche durch die lösende Wirkung von Sickerwasser und zirkulierendem Grundwasser entstehen. Eine besondere Rolle spielt hierbei das Kohlendioxid, das mit Wasser zu Kohlensäure reagiert und somit etwa kalkhaltiges Gestein zersetzen kann. Insbesondere Gesteine wie Kalk-, Dolomitgestein, Gips bzw. Anhydrit werden durch das saure Wasser gelöst.^[49]

Die wichtigsten Begrifflichkeiten werden in der DIN 4049 zur Normierung hydrogeologischer Begriffe definiert.^[50] Hiernach wird der Grundwasserleiter als ein Gesteinskörper beschrieben, welcher Hohlräume aufweist, durch die sich Grundwasser bewegen kann. Als Grundwassserhemmer, Grundwassergeringleiter oder auch Aquitard werden solche Gesteine bezeichnet, die sich im Vergleich zum Grundwasserleiter durch eine deutlich geringere Leitfähigkeit auszeichnen. Der Grundwassemichtleiter, Aquiclude oder Aquifuge, besitzt die Eigenschaft wasserundurchlässig zu sein. Ein Aquifer ist eine Schichtabfolge aus Grundwasserleiter und Grundwassernichtleiter. Diese Abfolge sorgt dafür, dass ein unterirdisches Reservoir an Wasser oberhalb des Wassernichtleiters in den Hohlräumen des Wasserleiters entsteht, das ein signifikantes Volumen besitzt. Wichtig ist, dass ein Unterschied zwischen Grundwasserleiter und Aquifer besteht und dass diese Begriffe nicht synonym benutzt werden.^[51]

Wenn also wasserundurchlässige Schichten von Schichten überlagert werden, die als Grundwasserleiter bezeichnet werden, so kommt es dazu, dass sich oberhalb der Aquiclude ein als freies Grundwasser bezeichnetes Aquifer ausbilden kann. Die Oberfläche dieses Bereiches von mit Wasser gesättigtem Material wird als Grundwasserspiegel bezeichnet, der Bereich darüber als ungesättigte Zone. Er zeichnet sich dadurch aus, dass das Wasser hindurchsickert und sorgt somit für die Erneuerung des Grundwassers. Bilden sich lokal kleinere Aquicluden oberhalb des eigentlichen Aquifers, so kann sich auch oberhalb von dieser eine wassergesättigte Linse ausbilden, die als schwebendes Grundwasser bezeichnet wird. Wird ein Aquifer durch eine zweite Aquiclude überlagert, kann es zur Ausbildung von besonderen Druckverhältnissen kommen, die als gespannte Grundwasserverhältnisse bezeichnet werden. Ist ein solcher Druck im Aquifer ausgebildet, dass der entspannte Grundwasserspiegel oberhalb der Erdoberfläche liegen würde, spricht man von Artesischem Wasser.^[52]

Über die beschriebenen Zeiträume hinweg haben sich mitunter eine Mehrzahl von Aquiferen übereinander gebildet, welche grundlegend unterschiedliche Zusammensetzungen und Verhältnisse aufweisen können. Daher ist bei der Erstellung der Bohrung, welche auch als Abteufung bezeichnet wird, darauf zu achten, die Aquifere nicht miteinander zu verbinden. Für die Nutzung entsprechender geothermischer Anlagen ist in der Regel ein Aquifer ausreichenden Volumens sowie eines mit einer möglichst großen Fließgeschwindigkeit wünschenswert. Liegen entsprechende Voraussetzungen vor, so ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass eine geothermische Nutzung über einen längeren Zeitraum hinweg ohne dauerhafte Abkühlung des Untergrundes erfolgreich möglich ist.

2.1.3 Temperaturen der Lithosphäre

Für die vorliegende Arbeit ist besonders die Lithosphäre von Bedeutung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Potenzial von der Atmosphäre hin zum Erdmantel ansteigt. Experimentelle Tiefbohrungen in verschiedenen Teilen der Welt haben ergeben, dass der Temperaturgradient, also die Temperaturzunahme der äußeren Erdkruste, im Durchschnitt 30K/km beträgt. Allerdings weisen lokale Differenzen im Untergrund markante Unterschiede auf. Vergleichsweise alte Krustengebiete wie etwa Kanada, Indien oder Südafrika weisen einen geringeren Wert von etwa 10K/km auf, während relativ junge Krustengebiete, Graben- sowie tektonisch aktive Regionen auch 200K/km erreichen können.^[53]

Diese thermische Energie innerhalb der Lithosphäre stammt wie besprochen aus den drei Quellen solarer Einstrahlung, Bewegungen und Wechselwirkungen zwischen den Himmelskörpern sowie der Erdentstehung und radioaktivem Zerfall. Die thermische Energie, die dabei tatsächlich auch innerhalb der Lithosphäre frei wird, resultiert aus radioaktiven Zerfallsprozessen bestimmter Isotope. Nach heutigem Wissensstand geht man davon aus, dass die Isotope U238 und U235 des Urans, Th232 des Thoriums und K40 des Kaliums hauptsächlich in granitischem Gestein zu einer radiogenen Wärmeproduktion von ca. 2,5pW/m3 führen, während in basaltischem Gestein nur ca. 0,5pW/m3 thermische Energie frei wird. Abgesehen von der thermischen Energie, die durch die eben beschriebenen radioaktiven Zerfallsprozesse frei wird, sorgen ebenfalls einige chemische und biogene Prozesse für zusätzliche Wärme im Untergrund. Allerdings liegen diese in einer so geringen Größenordnung vor, dass sie zu vernachlässigen sind.^[54]

Generell wird ständig thermische Energie vom Inneren der Erde nach außen weitergeleitet. Dieser Energiefluss wird als Wärmestrom oder konvektiver Wärmestrom bezeichnet.

2.1.3.1 Terrestrische Wärmestromdichte

Im folgenden Kapitel wird auf die Dichte und somit auf die Menge an thermischer Energie im Bereich der Lithosphäre, des zuvor angesprochenen Wärmestroms eingegangen.

Der Wärmestrom q lässt sich in den Anteil der Wärmeenergie, der durch festes Gestein(konduktiver Anteil q konduktiv ) transportiert wird und den Anteil an Energie, der durch Fluide transportiert wird (konvektiver Anteil q konvektiv ), unterteilen. Der Wärmestrom wird als der in einer bestimmten Zeiteinheit durch eine bestimmte Flächeneinheit strömende Energiefluss (Wärmemenge) definiert.^[55]

In der kontinentalen Kruste der Lithosphäre dominiert in der Regel der konduktive Anteil der Wärmestromdichte. Dieser kann nach der Fourier'schen Wärmeleitungsgleichung aus dem Produkt von Temperaturgradient ΔΘ/ΔΖ und der Wärmeleitfähigkeit λ der vorherrschenden Gesteine der Oberkruste beschrieben werden:^[56]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wärmeleitfähigkeit λ kann in Oberkrustengesteinen zwischen 0,5 und 7W/mK betragen. Diese Spannbreite der Werte lässt sich hauptsächlich auf chemisch­mineralogische Zusammensetzungen und unterschiedliche Texturen des Gesteins wie den Regelungsgrad von Mineralkomponenten, den Grad der Kornkontakte und die Porosität der Gesteine zurückführen.

Sowohl für die kontinentale als auch für die ozeanische Erdkruste ergibt sich eine durchschnittliche Wärmestromdichte von 65mW/m2 an der „Erdoberfläche“.^[57]

Der Anteil der radiogenen Wärmeproduktion [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] produk an der gesamten Wärmestromdichte für einen bestimmten Tiefenbereich ergibt sich aus der Schichtmächtigkeit ΔΖ und der Wärmeproduktion H:^[58]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Somit würde bei einer angenommenen Wärmeproduktionsrate von 1pW/m3, dem üblichen Wert für kontinentales Krustengestein, die aus radioaktivem Zerfall resultierende Energie in ca. 30km Tiefe bei ca. 35mW/m2 liegen. In etwa dieser Tiefe befindet sich auch die Krusten-Mantel-Grenze.^[59]

Der signifikante größte Anteil der an der Erdoberfläche messbaren thermischen Energie wird demnach in der Erdkruste durch radioaktive Zerfallsprozesse frei.

Es existiert kein Konsens über die präzisen Angaben der prozentualen Verteilung der Energiequellen. Allerdings existiert eine Tendenz, wonach ca. drei Fünftel der Gesamtmenge an Energie auf radioaktive Zerfallsprozesse und zwei Fünftel auf die restlichen Quellen zurückzuführen sind. Dazu zählt z.B. der terrestrische Wärmestrom aus größeren Tiefen oder potenzielle Restwärme der Erdentstehung.^[60]

2.1.3.2 Wärmebilanz an der Erdoberfläche

Das folgende Kapitel setzt sich mit dem Maß der thermischen Energie auseinander, das die Erdoberfläche selbst tatsächlich beeinflusst.

Aus der durchschnittlichen Wärmestromdichte von etwa 65mW/m2 an der Erdoberfläche lässt sich die durchschnittliche Strahlungsleistung der Erde ableiten, diese beträgt ca. 33 X1012 W. Somit gibt der Erdkörper etwa 1000EJ an thermischer Energie pro Jahr an die umgebende Atmosphäre ab. Andere auf die Atmosphäre Einfluss nehmende Energiemengen stammen maßgeblich aus solarer Einstrahlung. Diese kann mit einem Energieeintrag in die Atmosphäre beziffert werden, der etwa dem 20000-Fachen der Wärmestromdichte entspricht. Hieraus resultiert, dass die obersten Meter des Untergrundes maßgeblich durch die solare Einstrahlung mit entsprechenden Temperaturwechseln beeinflusst werden, während die tiefer liegenden Bereiche gleich bleibende, durch den Wärmestrom geprägte Temperaturen aufweisen.^[61]

2.1.3.3 Geothermische Wärmevorkommen und ihr Angebotscharakter

Im Folgenden werden die wesentlichen Arten geothermischer Wärmevorkommen dargestellt. Betrachtet man die Lithosphäre in Bezug auf diese Vorkommen und deren potentielle Nutzung, lassen sich deutliche Unterscheidungsmerkmale feststellen. Die ersten 10 bis 20m unterhalb der Oberfläche werden hauptsächlich durch direkte solare Einstrahlung bzw. solar aufgeheizte, teilweise zirkulierende Sicker- und Grundwässer beeinflusst.^[62] Mit zunehmender Tiefe nimmt der Einfluss solarer Faktoren ab und der Wärmestrom, die Wärmeleitung der aus dem Untergrund strömenden thermischen Energie nimmt zu. Somit nehmen auch die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der Temperaturen ab. Die obersten Hunderte von Metern steigt die Temperatur in der Regel nicht über 20°C.^[63]

Wasserführende Schichten gibt es im Untergrund in verschiedenen Tiefen. Befinden sich diese Aquifere in ausreichenden Tiefen, so können diese als hydrothermale Niederdrucklagerstätten bezeichneten Vorkommen ebenfalls geothermal genutzt werden. Bei Temperaturen bis zu 100°C spricht man von Warm-, bei Temperaturen ab 100°C von Heißwasser- oder Nassdampf-, oberhalb von 150°C von Heiß- oder Trockendampfvorkommen. In Deutschland weisen entsprechende Lagerstätten bei Tiefen bis zu 3000m Temperaturen von 60 bis 150°C auf.^[64] Im Falle einer tektonischen Modifikation der Umgebung einer solchen hydrothermalen Niederdrucklagerstätte, etwa in einer Subduktionszone, kann eine hydrothermale Hochdrucklagerstätte entstehen. Dies ist möglich, wenn ein durch Aquicluden umgebenes, poröses, wassergesättigtes Gesteinspaket relativ schnell in große Tiefen transportiert wird. Dabei steigen Temperatur und Druck an. Die entstandene geologische Formation wird als hydrothermale Hochdrucklagerstätte bezeichnet. Diese Art Lagerstätten enthalten heißes Wasser, das mit Gas, oft mit Methan vorgespannt ist.^[65]

Weitere in diesem Zusammenhang interessante Anomalien sind Magmavorkommen. Diese treten in der Nähe tektonisch aktiver Zonen auf, wobei flüssiges Magma relativ geringer Dichte von Gestein relativ hoher Dichte umgeben wird. Die Dichteunterschiede sorgen für eine Intrusion des Magmas in 10 bis 3km Tiefe.^[66] In diesem Zusammenhang werden auch Calderen^[67] untersucht. Dieses sind ehemalige Vulkane, die durch den Ausbruch ihre ursprüngliche Form verloren haben und sich ausschließlich als weit reichende runde Senken darstellen. In beiden Fällen sind hohe Temperaturen in relativ geringen Tiefen zu erwarten. Aus der Sicht der Geothermie werden die übrigbleibenden Gesteine im Untergrund als heiße trockene Gesteine beschrieben. Hierunter werden alle Gesteinsschichten zusammengefasst, die über nicht genügend Wasser verfügen, um es über einen längeren Zeitraum durch eine geothermische Anlage konstant nutzen zu können. Diese Vorkommen enthalten nach dem derzeitigen technischen Stand das größte Potenzial nutzbarer thermischer Energie.

Betrachtet man den Angebotscharakter der potenziell nutzbaren thermischen Energie des Untergrundes, so lassen sich räumliche und zeitliche Varianzen ableiten.

Wie bereits bekannt, werden die obersten 10 bis 20m des Bodens maßgeblich durch solare Einstrahlung, Abstrahlung, Niederschläge, Grundwasser und die Wärmeleitung im Untergrund bestimmt. Die Temperaturvarianzen, die sich im tages- und jahreszeitlichen Rhythmus begründet in den bodennahen Luftschichten messen lassen, sind nicht unmittelbar auf den Boden übertragbar. Da der Boden ein gewisses Vermögen besitzt, Energie zu speichern, setzen sich die Temperaturunterschiede nur mit einer gewissen Zeitverzögerung in den Untergrund fort^[68]. Während die tageszeitlichen Temperaturvarianzen gerade einmal die obersten Zentimeter beeinflussen, setzen sich die jahreszeitlichen, abhängig von dem Wärmeleitvermögen des umgebenden Gesteins sowie von Grundwasserströmungen, bis in eine Tiefe von 15 bis 39m fort. Der Bereich, in dem die Temperatur um nicht mehr als 0,1K schwankt, wird gemäß DIN 4049^[69] als neutrale Zone bezeichnet. Unterhalb dieser Zone wird die Temperatur maßgeblich durch den geothermischen Wärmefluss bestimmt. In Deutschland schwankt die Temperatur dieser neutralen Zone zwischen 8 und 13°C. Dieses entspricht auch der langjährigen mittleren Jahrestemperatur an der Erdoberfläche.^[70]

Der Charakter des Angebotes an thermischer Energie in den obersten Metern ist also eher unkonstant und auf einem geringen Niveau.

Betrachtet man jedoch tiefer liegende Bereiche, so ändert sich die Situation dahingehend, dass die Temperatur im Schnitt um 1°C pro 33m Tiefe^[71] zunimmt und konstant, also unabhängig von Tages- und Jahreszeit sowie Witterung, zur Verfügung steht. Außerdem kann davon ausgegangen werden, dass die im Untergrund zur Verfügung stehende thermische Energie aus anthropogener Sicht als unerschöpflich einzuschätzen ist.^[72]

Betrachtet man ein reales Terrain wie beispielsweise den Untergrund Deutschlands, so können lokal erreichte Temperaturen mitunter erheblich vom regionalen oder globalen Mittelwert abweichen. Ursachen für Temperaturanomalien im deutschen Raum sind beispielsweise Grabenweite-Grundwasser-Zirkulationen im Oberrheingraben oder auch Salzstrukturen im Untergrund des Norddeutschen Beckens. Ein weiteres Beispiel für eine „positive“ Temperaturanomalie liegt in der Schwäbischen Alb südlich von Stuttgart. Besonders günstig für die Umsetzung von Projekten zur Nutzung von Geothermie ist das Vorhandensein von Aquiferen mit hinreichend großer Wasserführung in nicht zu großen Tiefen. Beschriebene Voraussetzungen innerhalb Deutschlands finden sich in großen Sedimentstrukturen des Norddeutschen Beckens, des Oberrheingrabens und im südlichen Molassebecken zwischen Donau und Alpen.^{[73] [74]}

Es kann also festgehalten werden, dass die Geothermie zu den Regenerativen Energien ^[75] gehört, die aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften permanent und über einen relativ langen Zeitraum Energie liefern können und somit als grundlastfähig gelten.

3 Oberflächennahe Geothermie

Betrachtet man nun im Speziellen die oberflächennahe Geothermie, so ist die „Erdwärme“ bzw. thermische Energie gemeint, die nahe der Erdoberfläche anfällt. Dabei entstammt die Energie unmittelbar an der Oberfläche im Wesentlichen aus solarer Einstrahlung, während mit zunehmender Tiefe Energie aus dem geothermischen Wärmefluss zunimmt und letztlich überwiegt. Unabhängig davon, woher diese potenziell nutzbare Energie kommt, wird jegliche unterhalb der Erdoberfläche gespeicherte thermische Energie definitionsgemäß als geothermische Energie oder Erdwärme bezeichnet. Letztlich wird auf diesem Wege auch anthropogen im Untergrund eingespeicherte Energie zur geothermischen Energie.^[76]

Somit beginnen die Geothermie und die oberflächennahe Geothermie im Speziellen unterhalb der Erdoberfläche. Allerdings gestaltet sich die Abgrenzung zwischen oberflächennaher Erdwärme und geothermischer Energie tieferer Schichten schwierig, da keine physikalischen Parameter, sondern administrative Festlegungen eine Tiefe von 400m als Grenze angeben. Der Wert von 400m geht ursprünglich auf eine administrative Festlegung aus der Schweiz zurück, wonach Bohrungen, die eine Tiefe von 400m überschritten, durch die Übernahme des Bohrrisikos gefördert wurden.^[77] Zu jener Zeit waren Anlagen in einer Tiefe zwischen 200 und 500m unüblich und somit wurde in der Tiefe von 400m eine sinnvolle Abgrenzung gesehen. Im Laufe der Zeit hat der Grenzwert von 400m auch Eingang in andere Richtlinien gefunden. So findet sich in der VDI Richtlinie 4640 sowie in entsprechenden Förderrichtlinien des Bundesministeriums für Wirtschaft ebenfalls die Eingrenzung der oberflächennahen Geothermie auf eine Maximaltiefe von 400m.^{[78] [79]} Doch ist dieser exakte Wert der Abgrenzung problematisch, weil technische Weiterentwicklungen und lokale geologische Besonderheiten die Grenzen zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie verwischen.^[80]

Da oberflächennahe Energie meist auf einem eher geringen Energieniveau anfallt, wird diese in der Regel nicht zur Gewinnung von Strom, sondern zur direkten Nutzung der Wärme beispielsweise zur Beheizung eines Wohnhauses, genutzt. Um dies realisieren zu können, wird die Energie meist auf ein höheres Energieniveau angehoben und anschließend genutzt.^[81]

Eine typische Anlage zur Nutzung oberflächennaher Geothermie besteht aus den Hauptkomponenten einer Wärmequellenanlage, einer Wärmepumpe sowie einem Wärmeverteilsystem. Letzteres findet sich in nahezu jedem Haushalt etwa in Form einer Fußbodenheizung und wird daher nicht näher erläutert.^[82]

3.1 Wärmequellenanlagen

Durch Wärmequellenanlagen wird die thermische Energie im Untergrund aufgenommen und zur Wärmepumpe transportiert. Somit ist sie die Schnittstelle von Untergrund und Energieversorgungssystem. Die der Nutzung zur Verfügung stehende thermische Energie entstammt dem Gestein selbst bzw. dessen Porenfüllungen, die in der Regel aus Grundwasser und diversen Lösungsprodukten bestehen. Zu unterscheiden ist in diesem Kontext vor allem die Art und Weise, mit der die thermische Energie dem Untergrund entzogen wird. Hierbei lassen sich geschlossene und offene Systeme unterscheiden.Zusätzlich kommen Anlagentypen vor, die in keine der beiden Kategorien passen.^[83]

[...]

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^[1] Der Begriff „Erneuerbare Energien“ wird in der vorliegenden Arbeit als Eigenname verwendet. (vgl. gesetzliche Vereinbarungen der Bundesregierung).

^[2] Vgl. (BMU 2008) S.15.

^[3] Vgl. (Staiß 2007) S. A-19.

^[4] Vgl. http://www.sw-greifswald.de/haeufige-fragen/antwort-3.html [abgerufen am 05.08.2009].

^[5] Vgl. (Kopfmüller, Coenen 1997) S. 264 ff.

^[6] Vgl. http://wapedia.mobi/de/Liste_griechischer_Wortst%C3%A4mme_in_deutschen_Fremdw%C3% B6rtern [abgerufen am 19.07.2009].

^[7] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_griechischer_Wortst%C3%A4mme_in_deutschen_ Fremdw%C3%B6rtern [abgerufen am 19.07.2009].

^[8] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Geo [abgerufen am 19.07.2009].

^[9] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Therm [abgerufen am 19.07.2009].

^[10] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Thermie [abgerufen am 19. 05 2009].

^[11] (Kaltschmitt et al. 1999) S. 10.

^[12] Verein Deutscher Ingenieure, Vereinigung deutscher Ingenieure und Naturwissenschaftler, die sich mit Normierungen bestimmter Sachverhalte beschäftigen.

^[13] Vgl. VDI-Richtlinie 4640, Blatt 1. S. 6.

^[14] Vgl. VDI-Richtlinie 4640, Blatt 1 (Entwurf). S. 3.

^[15] (Thomsen 2006) S. 10.

^[16] Vgl. http://www.unendlich-viel-energie.de/de/erdwaerme.html [abgerufen am 19.07.2009].

^[17] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermie [abgerufen am 19.07.2009].

^[18] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S.2.

^[19] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 4.

^[20] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 11 f. & 103 ff.

^[21] Vgl.(Bührke et al. 2007) S. 11.

^[22] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 37.

^[23] Vgl. (Haggett 2004) S.61.

^[24] Vgl. (Haggett 2004) S. 63.

^[25] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 107.

^[26] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 10.

^[27] Quelle der Abb.: (Kaltschmitt et al. 1999) S. 11.

^[28] Vgl. VDI Richtlinie 4640 Blatt 1. S. 6.

^[29] Als Lithosphäre wird der feste Bereich der Erdhülle bezeichnet (vgl. S. 10).

^[30] Vgl. (Haggett 2004) S.50.

^[31] Vgl. (Meissner 1999) S. 11 ff.

^[32] Vgl. (Rothe 2008) S. 12 ff.

^[33] Vgl. (Rothe 2008) S. 12 ff.

^[34] Vgl. (Meissner 1999) S. 23 ff.

^[35] Vgl. (Haggett 2004) S. 50.

^[36] Quelle der Abb. (verändert): (Strahler, Strahler 2002) S. 272.

^[37] Quelle der Abb.: http://www.geophysik.rwth-aachen.de/Downloads/pdf/GeothermalEnergyPreprint.pdf [abgerufen am 30.07.2009] S. 3.

^[38] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 104.

^[39] Vgl. (Goudie 2007) S. 3 f.

^[40] Vgl. (Bahlburg, Breitkreuz 2008) S. 12.

^[41] Vgl. (Bahlburg, Breitkreuz 2008) S. 29 ff. & 41 ff.

^[42] Vgl. (Bahlburg, Breitkreuz 2008) S. 29 ff.

^[43] Vgl. VDI Richtlinie 4640 Blatt 1. S. 4.

^[44] Vgl. http://www.stmwivt.bayern.de/pdf/energie-und-rohstoffe/Geothermie.pdf [abgerufen am 08.08.2009] S. 12.

^[45] Quelle der Tabelle (verändert): VDI 4640 Blatt 1. S. 9.

^[46] DIN 4049 Teil 3. S. 49.

^[47] Vgl. (Hölting, Coldewey 2009) S. 7.

^[48] Quelle der Abb.: (Hölting, Coldewey 2009) S. 17.

^[49] Vgl. (Hölting, Coldewey 2009) S. 11 ff.

^[50] Vgl. DIN 4049 Teil 1-3.

^[51] Vgl. (Hölting, Coldewey 2009) S. 9.

^[52] Vgl. (Strahler, Strahler 2002) S. 359 ff.

^[53] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 105.

^[54] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 105 ff.

^[55] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 106.

^[56] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 106 f.

^[57] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 106 ff.

^[58] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 106.

^[59] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 106.

^[60] Vgl. http://www.geophysik.rwth-aachen.de/Downloads/pdf/GeothermalEnergyPreprint.pdf [abgerufen am 30.07.2009] S. 6 ff.

^[61] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 107.

^[62] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 108.

^[63] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 108.

^[64] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 46.

^[65] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 108.

^[66] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 47.

^[67] Vgl. (Strahler, Strahler 2002) S. 310.

^[68] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 110 ff.

^[69] Vgl. DIN 4049 Teil 3. S. 59.

^[70] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 40.

^[71] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 40 f.

^[72] Vgl. (Quaschning 2007) S. 34 ff.

^[73] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 40 f.

^[74] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 112 ff.

^[75] In Anlehnung an die Erneuerbaren Energien wird auch der Begriff der Regenerativen Energien als Eigenname behandelt.

^[76] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 60.

^[77] Vgl. A Fehr, A.: Risikodeckung des Bundes für Geothermie-Bohrungen, in: Geothermie CH (1991) 1/91,S. 2. S. 2.

^[78] Vgl. VDI Richtlinie Teil 1. S. 4.

^[79] Vgl. Gutermuth, P.G.: Das Marktanreizprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft zugunsten erneuerbarer Energien 1995-1998 und seine Bedeutung für die oberflächennahe Geothermie, in: Geothermische Fachtagung Straubing (1998) Tagungsband 5, S. 60 - 71. S. 60 ff.

^[80] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 395 ff.

^[81] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 395 ff.

^[82] Vgl. (Kaltschmitt et al. 2006) S. 404 ff.

^[83] Vgl. (Kaltschmitt et al. 1999) S. 61.