Das Hot Dry Rock-Verfahren

Rund 90% des geothermalen Gesamtpotenzials in Deutschland sind der petrothermalen Geothermie zuzuordnen. Das bedeutet, dass die interessantesten Wärmequellen in sehr großer Tiefe zu finden sind, wo es allerdings keine Heißwasser-Zonen (Aquifere), sondern lediglich hartes kristallines heißes Gestein gibt.

Wie auch bei einem Heizkörper, der in nahezu jedem Haushalt zu finden ist, hängt die Wärmemenge, die von einem Medium zum anderen über gehen kann, von der Oberfläche des „Wärmetauschers“ ab. Nur mit einer großen Oberfläche zwischen dem Gestein und dem Arbeitsmittel – hier durch die Bohrungen eingepresstes kaltes Wasser – können kontinuierliche Wärmeflüsse erreicht werden. Der geologischen Situation entsprechend (trockenes, heißes Gestein) spricht man bei der Erschließung der heißen Erdwärmezone vom Hot-Dry-Rock- bzw. HDR-Verfahren. Andere Bezeichnungen sind Enhanced Geothermie Systems (EGS) und Stimuliertes Geothermisches System (SGS).

Beim HDR-Verfahren sind somit verschiedene Herausforderungen zu bewältigen: Zunächst muss eine geeignete Stelle gefunden werden. An diesen Standort werden große Anforderungen gestellt, denn einerseits muss sich dort eine wirtschaftlich ausreichende Wärmemenge im Gestein befinden, die das System möglichst über mehrere Jahre mit ausreichend hohen Temperaturen speisen kann. Hier spielt es auch eine Rolle, welche Wärmemenge aus dem Erdinneren in einem kalkulierbaren Zeitraum die Entnahmestelle erreichen kann. Um dies abschätzen zu können, sind Kenntnisse über die Beschaffenheit der benachbarten Gesteinsschichten wichtig. Jedes Gestein hat eine spezifische Wärmeleitfähigkeit. Berücksichtigt man zudem die Dicke der Gesteinsschichten und kennt man die Temperaturdifferenzen zu den speisenden Quellen, lässt sich die Zeit berechnen, die für den Ausgleich der entnommenen Wärmemenge erforderlich ist.

Wird mehr Wärme entnommen, als auf dem natürlichen Weg nach gefördert werden kann, so wird die Geothermie-Anlage nach einer gewissen Zeit unbrauchbar! Stellt sich nach den Sondierungsbohrungen heraus, dass die Anlage zwar wirtschaftlich betrieben werden, jedoch weniger als die kalkulierte Wärmemenge gefördert werden kann, so spricht man von einer Teilfündigkeit.

Um selbst bei einer guten geothermalen Quelle eine Anlage wirtschaftlich sinnvoll betreiben zu können, bedarf es in der Tiefe eines „Wärmetauschers“ mit einer möglichst großen „Oberfläche“. Dort werden jedoch keine Rohre verlegt, sondern es werden mithilfe kleiner Sprengsätze Risse ins Gestein gesprengt. Durch den Druck eingepressten kalten Wassers werden diese Risse zusätzlich erweitert.

Durch die Vielzahl kleiner Risse im Gestein wird mit hohem Druck das Wasser vom Injektionsrohr zu den Förderrohren getrieben. Die Risse sind in der Regel im Durchschnitt weniger als ein Millimeter breit und die Bohrungen liegen meist mehrere hundert Meter weit auseinander. Das großflächige Areal stellt einen großzügig dimensionierten Wärmetauscher dar. Auf diese Weise kann Wärmeenergie im Megawattbereich an die Oberfläche befördert werden, dort Dampfturbinen antreiben und zur Beheizung von Gebäuden in Fernwärmenetze eingesetzt werden.

Das Hot-Dry-Rock-Verfahren wurde in verschiedenen Projekten mit Mikrobeben als Begleiterscheinung in Zusammenhang gebracht. Eine Anlage in Basel verursachte nach Medienmeldungen Beben bis zu einer Stärke von 3,4 auf der Richterskala. Grund sind tektonische Spannungen im Gestein. Durch das Aufbrechen des Gesteins in großer Tiefe und über eine Fläche von mehreren hundert Quadratmetern geben diese Bereiche dem Druck des Gesteins nach und es kommt zu unterirdischen Mikrobewegungen.

(rs/12-2015)

Risiken der Geothermie

Der Anteil der Geothermie an den heute insgesamt eingesetzten regenerativen Energieträgern ist – trotz der Beständigkeit infolge fehlender Volatilität – noch sehr gering. Dies liegt vor allem an den verschiedenen Risiken, die ein Geothermieprojekt mit sich bringt. Diese sind:

  • geologische Risiken

  • Standort- und Fündigkeitsrisiken

  • wirtschaftliche Risiken

  • politische Risiken

Geologische Risiken

In der Vergangenheit wurden bei der Erschließung geothermaler Quellen zum Teil sehr große Fehler gemacht. Ein sehr plakatives Beispiel stellt die Stadt Staufen im Breisgau dar. Hier wurden lediglich sieben Bohrungen in einer Tiefe von ca. 140m durchgeführt. Diese Tiefen werden heute gut beherrscht und entsprechende Erdwärmesonden für die Speisung von Wärmepumpen eingesetzt. Ihr Vorteil liegt in der weitgehenden Unabhängigkeit von klimatischen Schwankungen über die Tages- und Jahreszeiten und den damit verbundenen nahezu konstant kalkulierbaren Erträgen.

Das Beispiel der Stadt Staufen zeigt jedoch, dass eine geologische Voruntersuchung auch bei solchen „kleinen“ Geothermie-Projekten unabdingbar ist, denn die Bohrungen durchdringen verschiedene Erdschichten und berühren Grundwasserschichten. In Staufen sickerte unglücklicherweise infolge der Bohrung Grundwasser in eine Anhydrid-Schicht (Kalzium-Sulfat, CaSO4) ein. Dieses Material reagiert chemisch mit Wasser und bildet Gips. Eine Folge dieser Reaktion ist eine erhebliche Zunahme des Volumens! Durch den Druck, den diese Volumenzunahme auf das Erdreich verursachte, kam es an der Oberfläche zu Verwerfungen im großen Stil.

In der Schweiz bei Basel wurden kleinere Erdbeben einem Geothermie-Projekt zugeschrieben. Insgesamt werden solche Ereignisse zusätzlich zu den physisch entstandenen Schäden noch mit unangenehmen juristischen Nebenwirkungen begleitet, denn oft bleiben ungeklärte Haftungsfragen im Raum stehen: Wer trägt die Verantwortung? Wie hoch ist eine angemessene Entschädigung? - Nicht zuletzt deswegen wird Geothermie kritisch betrachtet, obgleich die Mehrzahl der Anlagen keine Beeinträchtigungen oder gar Störungen verursacht. Insbesondere sind Wärmepumpenprojekte wie in Staufen in aller Regen unauffällig.

Standort- und Fündigkeitsrisiko

Betrachtet man Geothermie auf der Kostenseite, dann sind es in erster Linie die erheblichen Planungs- und Erschließungskosten, die das Projekt belasten. Sie schlagen mit ca. 50% bis 70% zu Buche, je nachdem, wie rentabel die geothermale Quelle ist und wie schwierig sich die Bohrarbeiten erweisen. Erst nach den Probebohrungen kann überhaupt erkannt werden, ob der Standort geeignet und wirtschaftlich nutzbar ist. In sehr vielen Fällen müssen sie Erwartungen nach unten korrigiert werden. In einem solchen Fall spricht man von einer Teilfündigkeit.

Politische Risiken

Die Politik – das muss man aus der Sicht des Energietechnikers klar erkennen – gleicht einem wirtschaftlichen Minenfeld. Einerseits gibt es das EEG (korrekte Bezeichnung in Deutschland: „Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien“). In diesem werden unter anderem die Vergütungen für die Einspeisung und die Verpflichtung für die Abnahme des erzeugten elektrischen Stroms geregelt. Die Politik legt die gesetzlichen Rahmenbedingungen fest, an die sich auch die Energiewirtschaft zu halten hat. Allerdings ist die politische Interessenlage in permanenter Bewegung und von unvorhersehbaren globalen Ereignissen abhängig. Echte Planungssicherheit bieten Gesetze heute also nicht, auch wenn Gesetzesänderungen in der Regel mit Übergangsfristen verbunden sind.

Die Entscheider sind nur in seltenen Fällen tatsächlich auch Experten. Tatsächliche Experten sind dagegen die so genannten Berater, die ihrerseits meist Lobby-Gruppierungen vertreten und so die Politik nicht immer im Sinne des Umweltschutzes beeinflussen. Auch rechnen Volkswirte in anderen Bereichen wie Klimaschützer oder der „Häusle-Bauer“, der eine eigene Erdwärmesonde ins Erdreich einbringen möchte.

Ohne gesetzliche Rahmenbedingungen geht es jedoch in der Energietechnik nicht! Diese dienen dem Spagat zwischen dem technisch Machbaren, dem Schutz der Umwelt und auch wirtschaftlichen Interessen.

Umweltinteressen

Bei Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen lässt sich trefflich über das Ausmaß von Umweltbeeinträchtigungen streiten. Bei geothermischer Energienutzung sieht das jedoch vollkommen anders aus, wie die Beispiele in Basel und Staufen zeigten, wo sehr verschiedene Geothermie-Projekte umgesetzt wurden. In Basel handelte es sich um ein HDR-Projekt in einer Tiefe von mehr als 5000m. In Staufen wurden dagegen oberflächennahe Anlagen installiert. Auch die geologischen Folgen waren entsprechend verschieden. Während in Staufen die Einsickerung von Wasser in eine Kalzium-Sulfat-Schicht (CaSO4) – auch als Anhydrit bekannt – Verwerfungen an der Oberfläche auslöste, wurden in Basel kleine Erdbeben mit einer Stärke von bis zu 3,4 auf der Richterskala mit dem Projekt in Verbindung gebracht. Man geht in Basel davon aus, das die Erdschichten bereits vor dem Projektbeginn kritisch gespannt waren. Durch Aufbrechen des Gesteins in tiefen Lagen kam es zu einer Freisetzung der in den Erdschichten gespeicherten Bruchenergie und damit zu den deutlich wahrnehmbaren Beben. Aus beiden Projekten wurde gelernt. Die Erfahrungen fließen in künftige Planungen mit ein.

Neben diesen mit den Bohrungen in Zusammenhang stehenden Komplikationen kann auch der Betrieb der Anlagen Umweltrisiken mit sich bringen, wenn mit kritischen Arbeitsmitteln gearbeitet wird. Unter dem Arbeitsmittel versteht man die Transportflüssigkeit (Ammoniak oder Pentan etc.), das in die Sonde eingebracht wird und in der Tiefe Wärme aufnimmt. Das Arbeitsmittel wird in der Regel das System nicht verlassen und die Umwelt nicht kontaminieren. Dennoch sind Leckagen nie 100% auszuschließen.

Interessen der Anlieger

In der Vergangenheit wurden Kraftwerke grundsätzlich über die Bedenken der betroffenen Menschen hinweg geplant und umgesetzt. Insbesondere haben Kernkraftwerke und Braunkohle-Tagebau-Abbaugebiete für Schlagzeilen gesorgt. Es handelte sich hier um Projekte mit sehr großen Investitionsvolumina für die Betreiber. Demonstrationen und ziviler Widerstand wurden oft mit staatlicher Gewalt begegnet, um die Planungen nicht zu gefährden, aber auch im die Versorgung des Landes mit Energie zu sichern.

Bei regenerativen Energietechnologien wendet sich das Blatt zunehmend. Die Bürger werden zunehmend kritischer und fordern detaillierte und glaubwürdige Informationen ein. Vor allem sind die Erfahrungen der letzten Jahrzehnte als tiefes Misstrauen hängen geblieben. Jedes Projekt muss sich auch wirtschaftlich rechnen. Es geht also um Geld und auch um Profit. Unsitten der Vergangenheit und auch Medienberichte über o.g. Beispiele zu Bodenverwerfungen und Erdbeben tragen dazu bei, dass viele Menschen keine Geothermie-Anlage in der unmittelbaren Nachbarschaft haben wollen. Es kommt hier auf verschiedene wichtige Faktoren an:

Informationen sind das Wichtigste! Es müssen lückenlos nachvollziehbare Informationen zum Projekt angeboten werden, die jeder verstehen kann. Entscheidend ist, dass Vertrauen zwischen den Anliegern und dem Betreibern der Anlage geschaffen werden kann. Das bedeutet auch gleichzeitig, dass Bedenken ernst genommen werden müssen, auch wenn diese nicht selten jeder sachlichen und fachlichen Grundlage entbehren. Solche Situationen entstehen durch Fehlinformationen und zum Teil auch durch irreführende oder beschönigende Werbung. Details zu den hiesigen Bodenbeschaffenheiten sind ein unbedingtes MUSS, denn das zeigt, dass der Planungsingenieur seine Hausaufgaben gemacht hat und mit fundierten Daten arbeitet, die auch von anderer Seite verifizierbar sind.

Können die Anlieger von der Anlage partizipieren, beispielsweise in Form einer Rendite bringenden Beteiligung und durch eigene Nutzung der umweltfreundlichen Energie, dann werden potenzielle Gegner zu überzeugten Partnern. Auch hier ist jedoch Ehrlichkeit in der Argumentation gefordert.

Betroffene Anlieger können also zu einem wirtschaftlichen Risiko in der Realisierung eines Geothermie-Projektes werden. Sie können Projekte verzögern, wenn die Planungsphase nicht gewissenhaft durchgeführt und in einem Umweltverträglichkeitsverfahren Fehler gemacht wurden. Allerdings sind die Anlieger auch potenzielle Partner, die ein solches Projekt aktiv unterstützen und selbst davon profitieren können.

(rs/12-2015)

Tiefe Geothermie

Vergleichsweise hohe Temperaturen des Erdreiches gibt es erst in sehr tiefen Regionen. So werden zur Nutzung geothermaler Energie Abteufungen von mehreren tausend Metern vorgenommen. Grundsätzlich kann man von einem Temperaturgradienten ausgehen, der ca. 3K/100m Bohrtiefe entspricht. Das bedeutet, dass die Temperatur in 1000m Tiefe rund 30K über der an der Oberfläche liegt. Wirtschaftlich betriebene Anlagen arbeiten mit Tiefen zwischen 3000m und 6000m. Man muss allerdings bei der tiefen Geothermie zwischen petrothermaler und hydrothermaler Geothermie und bei letzterer zwischen "Hochenthalpie-" und "Niedrigenthalpie"-Bereiche unterscheiden.

Hydrothermale und Petrothermale Geothermie

Neben der Unterscheidung nach der Tiefe und der Enthalpie, also des Energiegehaltes der Lagerstätten, wird vorwiegend auch zwischen hydrothermaler und petrothermaler Geothermie unterschieden. Grundsätzlich kann bei hydrothermaler Geothermie das bereits vorhandene heiße Wasser eines Aquifers energetisch genutzt werden, während petrothermale Geothermie den Einsatz eines liquiden Arbeitsmittels erfordert.

Hydrothermale Geothermie

Wenn heiße Grundwasserreservoire nutzbar gemacht werden können, spricht man von einer hydrothermalen Lagerstätte. Die Wasserreservoire im tiefen Erdreich bezeichnet man als Aquifere. Grundsätzlich wird auch bei der hydrothermalen Geothermie wieder differenziert. So unterscheidet man Niederdruck- und Hochdrucklagerstätten.

Hydrothermale Niederdrucklagerstätten werden seit Jahrzehnten bereits in verschiedenen Kurorten zur Speisung der dortigen Thermalbäder genutzt. In der Tat handelt es sich um heiße Wasserquellen, die von der Wärme im Erdinneren gespeist werden. Die Wärmeenergie stammt aus sehr tief gelegenen vulkanisch aktiven Schichten, die jedoch an der Erdoberfläche keine Gefahr darstellen. Das Wasser bahnt sich bei diesen Quellen durch natürliche Zerklüftungen im Erdreich den Weg an die Oberfläche.

Hydrothermale Niederdruckquellen können sehr vielseitig genutzt werden, u.a. zur Beheizung von Gewächshäusern und in der Fischzucht. Sie sind allerdings auch – im Rahmen des energetischen Potenzials der Quelle – zur Beheizung von Gebäuden über Fernheizanlagen geeignet. "Im Rahmen ihres energetischen Potenzials" bedeutet, dass der Betrieb dieser Anlagen meist erst dann sinnvoll ist, wenn mindestens Temperaturen von 100°C in den Lagerstätten zu messen sind. In den meisten Fällen liegt das zu erwartende Maximum bei rund 200°C.

Wesentlich interessanter sind allerdings die hydrothermalen Hochdrucklagerstätten. Neben sehr hohen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius, die in den Aquiferen herrschen, stehen diese auch unter sehr hohem Druck. Wird das tiefe heiße Wasser über künstliche Rohrleitungen an die Oberfläche gefördert, kann das heiße Wasser expandieren und geht in einen trockenen gasförmigen Zustand über. Von Dry Steam, trockenem Dampf spricht man, wenn der Dampf des Wassers so heiß wird, dass er keine Tröpfchen mehr enthält, sondern physikalisch gesehen bereits ein echtes Gas ist. Mit diesem heißen Dampf lassen sich direkt Gasturbinen und damit wiederum Generatoren zur Stromerzeugung antreiben. Die noch verbleibende – recht erhebliche – Restwärmeenergie kann in Fernheizungsnetzen sinnvoll genutzt werden. Das abgekühlte Wasser wird letztlich wieder zurück ins Erdreich gepumpt. Hierzu ist natürlich eine gewisse Energiemenge aufzuwenden, die im Wirkungsgrad der Anlage berücksichtigt werden muss.

Von Hochenthalpie-Lagerstätten spricht man, wenn die tiefliegenden heißen Wasserreservoire – die so genannten Aquifere – ein sehr hohes Energiepotenzial aufweisen. Da diese ihre thermische Energie aus vulkanischen Quellen beziehen, liegen die Temperaturen deutlich über denen, die nach dem durchschnittlichen Temperaturgradienten zu erwarten wären. Es sind durchaus Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius üblich. Das heiße Wasser der Aquifere steht zudem unter hohem Druck.

Hochenthalpie-Lagerstätten gibt es nicht nur in Island oder anderen vulkanisch in spektakulärer Form aktiven Regionen, sondern auch in Europa und sogar in Deutschland. Auch hierzulande gibt es sehr tief gelegene Magma-Blasen, die sogar Ursache von Erdbeben mit geringer Stärke sind. Vulkanismus in Deutschland findet man beispielsweise in der Oberlausitz, in der Rhön, in der Eifel sowie natürlich am Oberrhein, wo der Kaiserstuhl, der bekannteste deutsche Vulkanberg, zu finden ist.

Wo keine vulkanischen Aktivitäten für die Erwärmung der betreffenden Erdschichten maßgeblich verantwortlich sind, hat man es mit so genannten Niedrigenthalpie-Zonen zu tun. Da, wie bereits ausgeführt, erst bei Temperaturen ab ungefähr 100°C eine wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme im großen Stil sinnvoll ist, werden die Erdwärmesonden in sehr tiefen Erdschichten platziert.

Petrothermale Geothermie

Nicht immer lassen sich heiße Aquifere für die Nutzung der Erdwärme anzapfen. Dies ist im Gegenteil sogar eher die Ausnahme, denn rund 90% der geothermisch potenziell nutzbaren Regionen in Deutschland besitzen keine bzw. keine ausreichend großen Aquifere und befinden sich auch nicht im direkten Umfeld tiefliegender vulkanischer Aktivität. Dennoch ist in Tiefen von 3000m bis 6000m das dortige Gestein heiß genug, um energietechnisch nutzbar zu sein. Es handelt sich allerdings um zwar sehr heiße, aber sehr trockene und kristalline Gesteinsschichten.

Hier wird das so genannte Hot Dry Rock-Verfahren (HDR) angewendet. Dieses ist auch unter der Bezeichnungen Enhanced Geothermie Systems (EGS) und Stimuliertes Geothermisches System (SGS) bekannt. Es ist einzuräumen, dass das Verfahren umstritten ist. Auf der einen Seite stehen recht bescheidene Wirkungsgrade, die bei rund 15% liegen. Die Erschließung der geothermalen Quellen ist aufwändig und mit einem erheblichen wirtschaftlichen Risiko verbunden. Bei einer erfolgreichen Erschließung ist die Nutzung mit großen Abwärmemengen verbunden, die nicht immer sinnvoll nutzbar sind.

Das HDR-Verfahren hat allerdings auch große Vorzüge, denn die Nutzung der geothermalen Quellen ist unabhängig von Tages- oder Jahreszeiten. Dies begründet sich damit, dass in großen Tiefen klimatische Wechsel – auch über lange Zeiten hinweg – keinen Einfluss auf die Temperaturen des Erdinneren haben.

Die Belastungen der Umwelt sind relativ gering. Es wird vergleichsweise wenig Fläche benötigt und es gibt keine Treibhausgas-Emissionen. Die Nutzung der Energie ist gut regelbar. Aus petrothermalen Quellen erzeugte elektrische Energie wäre geeignet – ausreichende Anteile am gesamten Energiemix vorausgesetzt – Lastspitzen im Netz zu bedienen. Noch reichen die Kapazitäten jedoch nicht aus.

Zu bedenken sind auch noch zwei weitere wesentliche Argumente zugunsten der Geothermie insgesamt: Geothermie ist grundsätzlich regional nutzbar gemachte Energie. Es ist also kein Energie-Import erforderlich. Das schafft nicht nur Unabhängigkeit von einem globalen Energiemarkt, sondern trägt auch dazu bei, Konfliktpotenzial aus der Welt zu nehmen, in der heute noch um Rohstoffe brutale Kriege geführt werden. Das Potenzial der Erdwärme ist nahezu unerschöpflich! Deren Nutzung ist also prinzipiell vernünftig.

(rs/12-2015)

Oberflächennahe Geothermie

Oberflächennahe Geothermie bezeichnet die Nutzung von Erdwärme in geringen Tiefen. Hier ist sowohl der Einfluss der Jahreszeiten als auch der Temperaturdifferenzen von Tag und Nacht zu berücksichtigen. Diese Zone endet ab einer Tiefe von ungefähr 20m. In der Praxis definiert man oberflächennahe Geothermie bis in Tiefen von ca. 300m. Trotz der verschwimmenden thermischen Eigenschaften des Erdreiches in dieser Tiefe, ist die Klassifizierung wegen der technischen Verwandtschaft der Systeme sinnvoll. Im Gegensatz zur oberflächennahen Geothermie betrachtet man Systeme in Tiefen von mehreren Tausend Metern als „tiefe Geothermie“.

Das bekannteste Beispiel für oberflächennahe Geothermie sind Wärmepumpen. Wärmepumpen sind Systeme, die thermische Energiequellen mit sehr geringer Enthalpie noch sinnvoll nutzen können. Sie erfordern allerdings auch einen recht beachtlichen Einsatz von externer Energie für den Betrieb der Pumpen und der Kompressoren. Nicht immer kann diese Energie aus regenerativen Quellen gewonnen werden, weshalb Erdwärmepumpen auch im Fokus der Kritik stehen. Auch ist ihre Leistungszahl besonders in sehr lang anhaltenden kalten Zeiten nicht ideal. Unter dem Strich sprechen jedoch Leistungszahlen von 60% bis 75% eine eindeutige Sprache, die selbst dann Erdwärmepumpen gegenüber Ölheizungen und sogar gegenüber Pellets-Heizungen ökologisch und wirtschaftlich erscheinen lassen, wenn die externe Energie aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz bezogen wird (Standard-Strommix).

Man spricht übrigens bei Wärmepumpen ungern vom Wirkungsgrad und statt dessen nur von der Leistungszahl bzw. den Coefficient of Performance (COP). Diese Zahl drückt aus, wie viel nutzbare Wärmeenergie mit der investierten elektrischen Energie dem Erdreich entzogen werden kann. Die Leistungszahl ist immer größer als 1. Bei Erd-Wärmepumpen werden in der Praxis Werte zwischen 3 und 4 erreicht. Die Definition des Begriffes Wirkungsgrad sieht grundsätzlich Werte kleiner als 1 vor, denn dieser Begriff betrachtet das Verhältnis der nutzbaren Energie zur gesamten dem System zugeführten Energie.

In Verbindung mit einer eigenen Photovoltaikanlage lassen sich diese Werte insbesondere in den "Übergangszeiten" deutlich verbessern, da Wärmeenergie kurzfristig gut speicherbar ist und damit die über den Tag "geerntete" elektrische Energie aus Solarkraft sinnvoll in den Abendstunden in der Form von Wärme eingesetzt werden kann. Die besonders im Herbst und im noch kühlen Frühjahr erzielbaren Erträge reduzieren den Bedarf an Heizenergie aus fossilen Energieträgern erheblich. Nicht zuletzt entkoppelt die Kombination aus eigener Photovoltaik-Anlage und Erdwärmepumpe die Energie für die Beheizung eines Hauses erheblich von den vom Markt gesteuerten Preissteigerungen, die sowohl für Gas-, Öl und Kohle als auch für Pellets und andere Arten von Holzheizungen gelten.

Grundsätzlich müssen die Angaben von Leistungszahlen bei Wärmepumpen allerdings mit Vorsicht interpretiert werden. Es genügt nicht allein, die Datenblätter der Aggregate zu betrachten, denn wie viele kWh thermische Energie des Erdreiches aus einer kWh elektrisch zugeführter Energie nutzbar gemacht werden können, hängt von sehr verschiedenen Faktoren ab. Hier ist u.a. die verwendete Technologie für die Gewinnung der Energie aus dem Erdreich, wie zum Beispiel Erdwärmesonde oder Erdwärmekollektor sowie die Bodenbeschaffenheit zu betrachten. Hinzu kommen bei sehr oberflächennahen Kollektoren auch die Einflüsse des Wetters und der Jahreszeiten. Einen wesentlich gleichmäßigeren Ertrag über die Jahreszeiten liefern in die Tiefe gebohrte Erdwärmesonden oder Grundwasser-Wärmepumpen. Hier gilt es jedoch, die rechtlichen Aspekte vorab zu prüfen.

(rs/12-2015)

Ursprung der Erdwärme

Im Erdinneren herrschen sehr hohe Temperaturen, die der Oberflächentemperatur der Sonne vergleichbar sind. So würde man im Erdkern Temperaturen zwischen 4000° und 6700°C messen. Diese Regionen sind technisch natürlich nicht zugänglich, jedoch erfolgt innerhalb der Erde ein permanenter Wärmetransport, in den flüssigen Schichten durch Konvektion (Wärmeströmung) sowie in den massiven Schichten der Kruste durch Konduktion (Wärmeleitung).

Der Ursprung der Erdwärme ist zu einem erheblichen Anteil noch auf die Zeit der Entstehung des Planeten zurück zu führen. Die Anhäufung von Masse (gravitative Akkretion) führte zur Erhitzung des noch jungen Konglomerates aus Staub, Gasen und Asteroiden. Auch die Einwirkung der Gezeitenkräfte des Mondes erwärmen das Innere des Planeten. Den größten Anteil haben jedoch nukleare Spaltprozesse. Im Erdinneren zerfallen die Uran-Isotope 235U und 238U sowie 232Th (Thorium) und 40K (Kalium). Der Anteil dieser natürlichen radioaktiven Energie als geothermischen Antrieb wird heute von Wissenschaftlern zwischen 50% und 70% eingeschätzt. Man kann also durchaus behaupten, die Menschheit lebe auf einem gewaltigen (natürlichen) Kernkraftwerk.

Der energetische Anteil des Klimas und der Sonneneinstrahlung auf die Erdwärme sind gegenüber den genannten Quellen vernachlässigbar! Betrachtet man das Temperaturprofil der Erdkruste über die Jahreszeiten hinweg, wird bereits in einer Tiefe von nur 20m kein Einfluss der Temperatur- und Klimaschwankungen mehr erkennbar sein. In der Tat sind die solaren und atmosphärischen Einflüsse lediglich für den Ertrag sehr oberflächennaher Erdwärmekollektoren relevant. Diese Energie wird mit Wärmepumpen nutzbar gemacht. Energie aus Wärmepumpen (mit oberflächennahen Kollektoren) ist also in Wärme gespeicherte Solarenergie.

Grundsätzlich muss man bei der Geothermie zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie unterscheiden. Die oberflächennahe Geothermie erfreut sich zunehmender Beliebtheit zur Beheizung von Wohnhäusern durch Wärmepumpen. Bei Wirkungsgraden ab 60% und steigenden Energiekosten amortisieren sich Erdwärmepumpen nach wenigen Jahren, obwohl sie eine recht beachtliche Anfangsinvestition und zudem einen gewissen Einsatz elektrischer Energie erfordern. Die Wärme wird dem Erdreich mithilfe von Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden entzogen. Auch Grundwasserpumpen oder Betonteile mit Erdberührung eignen sich dazu, Wärme dem Erdreich zu entziehen. Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad, also das Verhältnis der nutzbar gemachten zur eingesetzten Energie, zu optimieren, bietet die Photovoltaik. Der mithilfe von PV-Modulen erzeugte elektrische Strom kann zum Betrieb der Wärmepumpen eingesetzt werden. Die aus dem Erdreich entzogene Wärme kann in geeigneten Speichern über einen gewissen Zeitraum verfügbar gehalten werden.

(rs/12-2015)