Grundlagen der Energiegewinnung. Vor- und Nachteile der Geothermie

inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Was ist Geothermie ?
2.1 Aufbau der Erde
2.2 Ursprung geothermischer Energie
2.2.1 Restwärme/Akkretionswärme
2.2.2 Radioaktiver Zerfall
2.2.3 Klimaeinfluss
2.3 Terrestrischer Wärmestrom und geothermischer Temperaturgradient

3. Formen der Energiegewinnung
3.1 Tiefe Geothermie
3.1.1 Hochenthalpie-Lagerstätten
3.1.2 Niederenthalpie-Lagerstätten
3.1.3 Hydrothermale systeme
3.1.4 Petrothermale systeme
3.1.5 Tiefe Erdwärmesonden
3.2 Oberflächennahe Geothermie
3.2.1 Oberflächennahe Erdwärmesonden
3.2.2 Erdwärmekollektoren
3.2.3 Grundwasser-Wärmepumpen-

4. Vorkommen von Geothermie-

5. Vor- und Nachteile

6. Ausblick Geothermie in Deutschland-

7. Literaturverzeichnis

8. Quellenverzeichnis

9. Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

Spätestens seit der Veröffentlichung des Berichts „2052: Eine globale Vorhersage für die nächsten 40 Jahre“ vom Club of Rome am 08.05.2012, ist der interessierten Öffentlichkeit die Begrenzung der Energieressourcen Kohle, Öl und Gas bekannt. Innovative Ideen und technischer Fortschritt ermöglichten es uns Menschen, die naturgegebenen Ressourcen zu erschließen und unseren Nutzen in Form von Energiegewinnung aus ihnen zu ziehen. Die Energiegeschichte der Menschheit bekam erst durch die industrielle Revolution eine große Bedeutung. Es wurden mit einem Mal enorme Energiemengen benötigt und man vollzog den Wechsel auf die Verwendung von fossilen Brennstoffen, in erster Linie Kohle, anstelle der zuvor genutzten nachwachsenden Rohstoffe, wie beispielsweise Stroh oder Holz. Durch die Verwendung dieser fossilen Brennstoffe, wie auch Öl und Gas wurden die Möglichkeiten und die Kraft der Menschheit vervielfacht. Jedoch brachte der Gebrauch dieser Brennstoffe eine neue Dimension von negativen Umweltveränderungen hervor. Die erste wahrzunehmende Veränderung war die Luftverschmutzung. Hohe Schornsteine sollten Abhilfe schaffen, aber sie verlagerten das Problem lediglich. Sie verursachten sauren Regen fernab der Industriegebiete. Der Einsatz von Filtern und der Übergang von Kohle zu Gas und Öl bei den Hausheizungen haben das Problem zumindest in den Industrieländern wesentlich reduziert. Weltweit bleibt die Umweltverschmutzung allerdings akut und heute ist bekannt, dass das unsichtbare Treibhausgas Kohlenstoffdioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe eine Hauptursache für den Klimawandel ist. Die Bildung von Kohlenstoffdioxid bei der Verbrennung ist nicht zu verhindern, der Kohlenstoff im Brennstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Als weitere Problematik kommt hinzu, dass die Vorräte an fossilen Brennstoffen nicht unendlich sind. Besonders Ölreserven scheinen in absehbarer Zeit aufgebraucht zu sein.^[1]

Diese Endlichkeit sowie die Gefahren der Atomenergie, wie sie zuletzt die Atomkatastrophe von Fukushima gezeigt haben, aber auch der wachsende Hunger nach Energie haben zu einem Umdenken und einem Umlenken zu erneuerbaren Energien geführt. Abb. 1 zeigt die Entwicklung des Weltenergieverbrauchs im Industriezeitalter von 1860 bis 2010 in Mtoe, Megatonnen Öl-Äquivalent. („Maßeinheit für die in Form von Heizstoffen vorhandene Energie bzw. den Energieverbrauch, beispielsweise bei der Stromerzeugung oder Verbrennungsprozessen“ ^[2]). Neuesten Erkenntnissen zur Folge lag der Primärenergieverbrauch im Jahre 2010 bereits bei ca. 12.000 Mtoe^[3].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Entwicklung des Weltenergieverbrauchs im Industriezeitalter (von 1860 bis 2010)

Es bleibt nun also festzuhalten, dass sich die Frage nach alternativen Energieformen stellt. Seit mehreren Jahrzehnten werden die Energiegewinnung durch die Kraft von Wasser, Sonne und Wind erforscht. Was zunächst als Durchbruch im Kampf für die Unabhängigkeit von den Ölländern und Aufhalten einer Klimakatastrophe schien, erwies sich als nicht ausreichend. Problematisch ist hierbei die Effizienz. Sonne, Wasser und Wind sind zwar praktisch überall auf der Welt vorhanden, jedoch nicht überall in dem Maße, wie es nötig wäre um einen hohen Wirkungsgrad bzw. wirtschaftlichen Nutzen zu erzielen. Es muss also eine andere Lösung für das Energieproblem gefunden werden. Viel mehr benötigen wir eine Form der Energie, die praktisch ständig verfügbar ist. Wichtig ist hierbei eine Energieform, die grundlastfähig ist. „Die Grundlast ist in der Stromerzeugung die Kraftwerksleistung, die Tag und Nacht, Sommer wie Winter, immer gebraucht wird. [] Die verschiedenen Lasttypen stellen unterschiedliche Anforderungen an Kraftwerke: Grundlastkraftwerke brauchen nicht schnell regelbar sein, sollten aber möglichst billig Strom erzeugen“ ^[4]

In den letzen 100 Jahren wurden bei den meisten Tiefbohrungen nach sprudelnden Ölquellen gesucht, doch nun suchen die Ingenieure nach hocherhitztem Wasser - dem Treibstoff einer neuen Technologie mit dem aus Erdwärme Elektrizität gewonnen werden kann. Es handelt sich um geothermische Energiegewinnung, die zur Stromerzeugung und auch direkt zur Erwärmung von Wasser genutzt werden kann. Diese kann unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen beenden. Geothermie gilt als unerschöpfliche Energiequelle. Ferner ist sie rund um die Uhr und ganzjährig verfügbar und somit grundlastfähig.^[5] Folgende Seiten sollen einen kleinen Einblick in die Entstehung, das Vorkommen und die Nutzung der Geothermie vermitteln.

2. Was ist Geothermie ?

Geothermie wird auch als geothermische Energie oder Erdwärme bezeichnet. Sie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Erdoberfläche und gehört zu den erneuerbaren Energien. Sie wird sowohl direkt im Wärmemarkt zum Heizen oder Kühlen, als auch zur Erzeugung elektrischen Stroms genutzt. Als erneuerbare oder regenerative Energiequellen werden jene bezeichnet, die unter menschlichem Zeithorizont unerschöpflich sind.

Geothermie bezeichnet die ingenieurtechnische Befassung mit der Erdwärme und ihrer Verwendung und die geowissenschaftliche Analyse der thermischen Situation des Erdkörpers.^[6]

2.1 Aufbau der Erde

Um die Technologien der Nutzung der geothermischen Energie zu verstehen, muss man sich zunächst mit dem Aufbau der Erde vertraut machen.

Unsere Erde ist schalenförmig aufgebaut, siehe Abbildung 2. Der feste, innere Erdkern bildet das Zentrum. Darauf folgt der flüssige, äußere Erdkern. Aus der Kristallisation dessen ist der feste Erdkern entstanden. Der flüssige Erdkern ist umgeben vom Erdmantel und der wiederum von der sehr dünnen Erdkruste. Der Erdkern hat mit 3.470 km einen größeren Anteil am Erdradius als der Erdmantel mit 2.860 km. Er macht nur 16 % des Gesamtvolumens der Erde aus, aufgrund seiner sehr hohen Dichte jedoch 32 % der Erdmasse. Im inneren Erdkern, der aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht, herrschen in über 6.000 km Tiefe Temperaturen von bis zu 5.000° C und ein Druck von über 4 Millionen Bar.^[7]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Aufbau der Erde

Bei Temperaturen um 2.900° C und entsprechend geringerem Druck ist der äußere Erdkern eine flüssige Eisenschmelze und die mechanische Energie der Strömungen des leitfähigen Materials wird in elektromagnetische Energie umgewandelt. Mit seiner elektrischen Leitfähigkeit und in Zusammenwirkung mit der Erdrotation ist der äußere Erdkern ursächlich für das Magnetfeld der Erde. Durch den Wechsel von Eisen zu verschiedenen leichteren Materialien, die eine sprunghafte Dichteabnahme verursachen, ist der Übergang zwischen Erdkern und Erdmantel gekennzeichnet. Unterhalb der Erdkruste beginnt der obere Erdmantel und reicht bis ca. 1.000 km Tiefe. Unterhalb dessen befindet sich eine Schicht mit erhöhter Fliessfähigkeit durch partiell aufgeschmolzenes Gesteinsmaterial. Dies ist der Grund für die Beweglichkeit des darüberliegenden Teils des oberen Erdmantels, der aus 15 verschieden großen Platten bestehenden Lithosphäre. Im Erdmantel finden immense walzenförmige Fliessbewegungen und Umwalzungen des festen Erdmantels durch thermisch induzierte Auftriebskräfte angetrieben statt. Der Erdkern ist nicht einbezogen. Er ist lediglich der Motor dieser sogenannten Konvektionsströme und treibt sie seit der Entstehung der Erde mit seiner Wärme an. Diese thermischen Konvektionsströme sind also die Ursache für die Bewegung der Platten, der sogenannten Plattentektonik. Bei der Kollision verschiedener Platten durch Aufeinanderzubewegung können riesige Gebirge entstehen. Beim Auseinanderdriften hingegen findet eine Dehnung der Erdkruste oder des obersten Teils des oberen Erdmantels statt und erzeugt Gräben, wie den Oberrheingraben oder Tiefseegräben wie die mittelozeanischen Rücken. Da die Größe der Erdoberfläche sich nicht verändert, verursacht jede Bewegung einer Platte auch eine Veränderung an anderer Stelle. Taucht beispielsweise eine Platte unter eine andere, entsteht an dieser Stelle ein Gebirge, an einer anderen jedoch ein Graben. An diesen Plattengrenzen findet in unterschiedlichem Maße vulkanische Aktivität statt. Das heiße Mantelmaterial kann nach oben strömen, die Erdkruste durchstoßen und zu Vulkanausbrüchen führen. Diese Orte werden Hot Spots genannt. Da sie im tieferen Erdmantel ortsfest sind, wandern die Lithosphärenplatten über sie hinweg und es entsteht eine Art Kette von Vulkanen, wobei immer nur der letzte Vulkan aktiv ist. Diese Phänomene kommen den Menschen entgegen, denn nur so sind sie in der Lage durch entsprechende Technologien die Wärme aus dem Erdinneren zur Energieerzeugung zu nutzen.^7,[8]

[...]

^[1] Vgl. Jürgen Paeger, 2006 -

^[2] Aus http://de.m.wikipedia.org/wiki/%C3%96leinheit#section_

^[3] Vgl. BP, 2011, S.

^[4] Jürgen Paeger, 2006-

^[5] Vgl. N24,

^[6] Vgl. Wikipedia, Geothermie, 17.05.

^[7] Vgl. Stober, Bucher, 2012, S. 3 ff.

^[8] Lanius, 1995, S. 80 ff.