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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)