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1. Einführung
Geothermie ist die Wärmeenergie, die unter der festen Erdoberfläche gespeichert ist. Deshalb werden sie auch als Geothermie bezeichnet.
30% des Energieflusses, der auf die Erdoberfläche aufsteigt, kommt aus dem heißen Kern der Erde (Die innere Struktur der Erde ist in Kugelschalen geschichtet, wie eine Zwiebel) selbst. 70% werden jedoch durch den ständigen Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente im Erdmantel und in der Erdkruste verursacht. Jeden Tag liefert die Erde etwa viermal mehr Energie in den Weltraum, als wir Menschen derzeit verbrauchen. Dies wird auch in zwei bis drei Milliarden Jahren noch der Fall sein, vorausgesetzt, die Sonne stirbt nicht. Die gespeicherte Erdwärme ist daher für unsere Maßstäbe unerschöpflich. Sie ist immer verfügbar und hängt nicht von der Tageszeit, der Jahreszeit oder dem Klima ab. Dank der heutigen Technologie ist es möglich, diese umweltfreundliche und klimafreundliche Energiequelle praktisch überall einzusetzen. Die Geothermie ist daher eine der am weitesten verbreiteten erneuerbaren Energiequellen. Je tiefer man in das Innere der Erde eindringt, desto wärmer wird es. Hier in Mitteleuropa steigt die Temperatur um ca. 3°C pro 100m Tiefe. Nach heutigem Kenntnisstand liegen die Temperaturen im obersten Erdmantel bei etwa 1300°C, im Erdkern dürften sie 5000- 6000°C erreichen. Direkt an der Erdoberfläche werden die Temperaturen fa
st ausschließlich von der Sonne bestimmt. Da der Boden die Wärme schlecht leitet, ist spätestens nach 20 Metern Tiefe kein Sonneneinfluss zu erkennen. Vergleicht man die bis zu 3000 Meter gespeicherte Geothermie mit dem Weltenergieverbrauch (Weltenergieverbrauch ist die von der gesamten menschlichen Zivilisation verbrauchte Gesamtenergie), muss man sich keine Sorgen mehr um Energieprobleme machen. Die im oberflächennahen Bereich gespeicherte Energie (bezogen auf die aktuellen bohrtechnischen Möglichkeiten) reicht aus, um den Energiebedarf der Menschheit für die nächsten 100.000 Jahre zu decken. Aber nur ein Teil der gespeicherten Wärme kann tatsächlich genutzt werden und 85 % der Erdwärme im erreichbaren Tiefenbereich haben Speichertemperaturen von nur weniger als 100 °C. Und obwohl mindestens 40% des weltweiten Energieverbrauchs im letztgenannten Bereich liegen, ist es möglich, ihn zu nutzen und wo gleichzeitig entsprechende lokale Kunden verfügbar sind, die damit etwas anfangen können. Will man diese Geothermie für die menschliche Versorgung nutzen, nutzt man in der Regel nicht den ständig fließenden Wärmestrom, sondern das viel höhere Potenzial der im Gestein oder in Flüssigkeiten (Wasser oder Dampf) gespeicherten Erdwärme. Es gibt viele Möglichkeiten, die Energieversorgung der Erde in Wärme und/oder Strom umzuwandeln. Um Wärme aus dem Untergrund zu gewinnen, benötigen Sie in der Regel ein Transportmittel, das Flüssigkeit, Dampf, Wasser , Sole….. Die Nutzungsarten lassen sich danach unterscheiden, ob das Fluid bereits im Untergrund vorhanden ist oder künstlich eingebracht werden muss. In vulkanischen Regionen werden beispielsweise Dampf- oder Heißwasserlagerstätten genutzt. Sie produzieren auch Strom und Wärme aus heißem, trockenem Gestein. Die Grundlagen dieser Technologie sind entwickelt, ein Pilotkraftwerk wurde zum Beispiel im mecklenburgischen Neustadt-Glewe gebaut. Das Hot-Dry-Rock-Verfahren Wir haben in Mitteleuropa keine Dampf- oder Heißwasserlagerstätten. Aber auch hier ist der Untergrund heiß genug. Um Temperaturen zu erreichen, die für die Stromerzeugung geeignet sind, muss man nur tief genug bohren. Solche Forschungsanstrengungen wurden und werden hauptsächlich in Japan , den USA und der Europäischen Union unternommen (Die Europäische Union ist eine politische und wirtschaftliche Union von Mitgliedstaaten, die ihren Sitz hauptsächlich in Europa haben). Das Grundkonzept klingt einfach: – Entwicklung des vorhandenen heißen Gesteins in der Tiefe über Bohrungen – Brechen/Erweitern von Strömungspfaden durch Wasserdruck zwischen den Bohrungen – dadurch entsteht eine Art Untergrundwärmetauscher (Ein Wärmetauscher ist eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung zwischen einem festen Gegenstand und einem Fluid, 20-50 MW installierte Leistung relativ kleine, saubere und umweltfreundliche Kraftwerke . Außerdem benötigen sie, wie alle Geothermieanlagen, wenig Platz: Der wichtigste Teil ist unter der Erde. 2.2 Hydrothermale (Warmwasser-)Systeme – Hochtemperatursysteme: Hochdruckwasserzonen, Dampfsysteme, Heißwassersysteme, Niedertemperaturversorgung: Aquifere mit heißen (> 100 °C) oder warmen (40 – 100 °C) oder Niedertemperatur-Wasser (25-40 °C) Wärmequellen (> 20 °C) hydrothermale Geothermie nutzt das im Untergrund natürlich vorkommende Thermalwasser zur Versorgung von größeren Siedlungen, ganzen Städten, Gewerbe- und Industriegebieten. Die Ressourcen in den Grundwasserleitern sind oft sehr salzig, d.h. stark mineralisiert. Um ein allmähliches Entleeren des Speichers zu verhindern, werden solche Systeme im Duplikatbetrieb betrieben: B. von Salzlösungen 110 Trocknung von Zementplatten 100 Trocknung von organischem Material (z.B. Es ist aber auch möglich, den Untergrund direkt als Kältequelle für die Klimatisierung zu nutzen und dadurch teure Kälteerzeugung zu sparen. Auch in kleinen und mittleren dezentralen Systemen zur Bereitstellung von Wärmeenergie und Klimatisierung für Ein- oder Mehrfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser, Gebäudekomplexe, Gebäudekomplexe, öffentliche Gebäude, Verwaltungen, Krankenhäuser, Schulen, Gewerbebetriebe etc. steht dafür ein breites Anwendungsspektrum zur Verfügung. – am weitesten verbreitete Anlagentypen in Mittel- und Nordeuropa – geringer Flächenbedarf – gleichbleibendes Temperaturniveau – vertikale oder geneigte Bohrungen werden in Rohren installiert – eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert in ihnen – diese nimmt Wärme aus dem umgebenden Erdreich auf und leitet sie an die Wärmepumpe weiter – Einsatz in Anlagen unterschiedlicher Größe (beginnend mit einer oder zwei Sonden zur Beheizung von kleinen Wohngebäuden bis hin zu Systemen zur Versorgung von Büro- und Geschäftsgebäuden, ganzen Wohnanlagen,.) Betonbauteile mit Bodenkontakt, Energiepfähle: – vor allem in Österreich in den letzten Jahren zu funktionierenden Heiz- und Kühlsystemen entwickelt – Name Energiepfahl ergibt sich aus der Verwendung von Gründungspfählen zu Heizzwecken – grundsätzlich kann jede erdberührte Betonfläche ausgestattet werden – Ein Werk befindet sich in Deutschland , andere in der Schweiz . In Prenzlau (Prenzlau ist eine Stadt in Brandenburg, Deutschland , Regierungssitz des Landkreises Uckermark) (Brandenburg) wurde ein alter Brunnen weiter vertieft. Heute liefert sie ca. 400 Kilowatt Wärme für die städtische Fernwärme (Fernwärme ist ein System zur Verteilung der an zentraler Stelle erzeugten Wärme für den privaten und gewerblichen Wärmebedarf wie Raumwärme und Warmwasserbereitung) Netz. Geeignet sind auch alte Minen und neue Tunnel für Straßen und Eisenbahnen. Die geothermischen Ressourcen in Deutschland sind naturgemäß in Gebieten mit geothermischen Anomalien konzentriert. Gebiete mit solchen Gebieten gibt es in der norddeutschen Ebene (die norddeutsche Ebene oder das nördliche Tiefland ist eine der wichtigsten geografischen Regionen Deutschlands) zwischen der polnischen und der niederländischen Grenze, im Oberrheintal (die Oberrheinebene, das Rheingrabengebiet oder der Oberrheingraben ist ein großer Graben), über und im Durchschnitt zwischen Basel im Süden und den Städten Frankfurt /Wiesbaden im Norden) und in Süddeutschland zwischen der Donau (die Donau ist der zweitlängste Fluss Europas, nach der Wolga, und auch der längste Fluss in der Region der Europäischen Union) und den Alpen. Grundsätzlich kann jedoch unabhängig von solchen Anomalien überall mit Erdkollektoren und Wärmepumpen geheizt und gekühlt werden. In Deutschland wurden 1999 fast 400 MWth in Geothermieanlagen installiert. Mit den damals bekannten Ressourcen der hydrothermalen Geothermie könnten etwa 29% des deutschen Wärmebedarfs und mit oberflächennaher Geothermie etwa 28% abgedeckt werden. Im Tiefenbereich zwischen 3000 – 7000 m steht so viel Energie für den Einsatz für das Hot Dry Rock (Eine verstärkte Geothermie erzeugt geothermischen Strom ohne den Einsatz natürlicher konvektiver hydrothermaler Ressourcen) zur Verfügung Verfahren unter der Oberfläche der Bundesrepublik Deutschland, dass wir uns damit für ca. 10.000 Jahre vollständig mit Strom und Wärme versorgen konnten. 3.1.1.1 Großflächiger Einsatz In Deutschland sind heute fast ausschließlich hydrothermale Systeme geplant. Eine Tiefengeothermie-Sonde in Erding (Erding ist eine Stadt in Bayern, Deutschland, und Hauptstadt des Landkreises Erding) (Bayern (Bayern ist ein Freistaat und eines von 16 Bundesländern)) mit der Nutzung einer einzigen Bohrung ist seit Jahren erfolgreich in Betrieb. In den Pilotprojekten in Bad Urach (Bad Urach ist eine Stadt im Landkreis Reutlingen, Baden-Württemberg, Deutschland) und Soultz-sous-Forets (Soultz-sous-Forêts ist eine Gemeinde im Departement Bas-Rhin in Grand Est im Nordosten Frankreichs) im Elsass (Elsass ist eine kulturhistorische Region in Ostfrankreich, die heute in der Verwaltungsregion Grand Est liegt) getestet. Der Organic Rankine Cycle wird in erster Linie zur Stromerzeugung aus Erdwärme genutzt (Turbinen werden z.B. mit Ammoniak betrieben (Ammoniak oder Azan ist eine Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff mit der Formel NH3) Dampf). ORC- Anlage: – Turbine mit 2 Kreisläufen – Die Turbine wird mit Arbeitsfluid angetrieben, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft – über Wärmetauscher absorbiert dieses Fluid thermische Energie (z.B. Es gibt jedoch Erfahrungen, viele Anbieter und erste Anwendungen. In einigen Gemeinden (z.B. in Ettlingen (Ettlingen ist eine Stadt in Baden-Württemberg, Deutschland, etwa südlich der Stadt Karlsruhe), BW und in Duisburg, NRW) wurden Arbeiten eingeleitet, die zu lokalen Geothermiekarten führen sollen, was eine wichtige Planungsvoraussetzung ist. Grundsätzlich können alle Methoden der oberflächennahen Geothermie auch in der Gebäudetechnik eingesetzt werden. Unter normalen tektonischen Bedingungen besteht ein geothermisches Haussystem aus Erdkollektoren und einer Wärmepumpe. Die Temperaturdifferenz ist in diesem Normalfall jedoch zu gering. Aus diesem Grund muss es möglich sein, einen Öl- oder Gasheizer (Ein Gasheizer ist ein Raumheizer zur Beheizung eines Raumes oder Außenbereichs durch Verbrennung von Erdgas, Flüssiggas, Propan oder Butan) für die Spitzenheizleistung in der Winzeranlage einzuschalten. Mit einem solchen System ist die Kühlleistung auch im Sommer immer verfügbar. Interessant sind Prozesse, die es ermöglichen, auf die im Sommer von Sonnenkollektoren erzeugte und im Winter unterirdisch gespeicherte Energie zurückzugreifen. Allerdings gibt es heute offenbar keine entscheidenden Kostenvorteile, die die geothermische Gebäudetechnik vorteilhafter erscheinen lassen. Eine Geothermieanlage kann jedoch umso wirtschaftlicher arbeiten, je größer der Energiebedarf ist. Ende 2003 ging in Neustadt-Glewe (Neustadt-Glewe ist eine deutsche Stadt, in Mecklenburg-Vorpommern, im Landkreis Ludwigslust-Parchim) das erste kleine Geothermiekraftwerk mit einer Leistung von 210 Kilowatt in Betrieb. Die Investitionskosten betrugen rund 1,6 Mio. Uro. Davon wurden 50% vom Bund finanziert. Die Installation einer normalen Dampfturbine (Eine Dampfturbine ist ein Gerät, das dem Druckdampf thermische Energie entzieht und sie für mechanische Arbeiten an einer rotierenden Abtriebswelle nutzt) war nicht möglich, da das heiße Wasser aus ca. 2200m Tiefe nur 98°C betrug. Stattdessen wird das Kraftwerk im sogenannten Organic Rankine Cycle betrieben (Der Organic Rankine Cycle wird nach der Verwendung eines organischen, hochmolekularen Fluids mit einer Flüssig-Dampf-Phasenänderung oder einem Siedepunkt benannt, der bei einer niedrigeren Temperatur als die Wasser-Dampf-Phasenänderung stattfindet). 3.2 Baden- Württemberg Baden (Württemberg-Baden war ein Bundesland der Bundesrepublik Deutschland) – Württemberg will die Vorreiterrolle übernehmen, las ein Zeitungsartikel am 8. März 2005. Stuttgart – Nach dem Willen der Landesregierung soll das Land BW eine Vorreiterrolle bei der Nutzung der Geothermie übernehmen. Neben der großen Wasserkraft wird die Geothermie dazu beitragen, den Anteil der erneuerbaren Energien zu erhöhen (Erneuerbare Energien sind Energien, die aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden, die natürlich nach menschlichem Zeitrahmen wieder aufgefüllt werden, wie z.B. Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen), und Erdwärme) in der Energieversorgung des Südwestens auf zehn Prozent bis 2010, erklärte Ministerpräsident Erwin Teufel (Erwin Teufel ist ein deutscher Politiker der CDU) (CDU (Die Christlich-Demokratische Union Deutschlands ist eine christdemokratische und liberal-konservative politische Partei in Deutschland) ) am Dienstag in Stuttgart. Die günstigsten Standorte in Europa wären dafür im Rheingraben in Baden-Württemberg (Datei:Wirkoennenalles.jpg|thumb|250px|A campaign sticker, übersetzt, “We can[do] anything) . Für die Nutzung dieser Energieform sind in den kommenden Jahren insgesamt sechs Millionen Euro an Fördermitteln vorgesehen. (Qülle: www.verovox.de) Teufel war nach Island gereist und wurde über die Nutzung der Geothermie informiert. Im Gegensatz zur Windkraft (Windkraft ist die Nutzung des Luftstroms durch Windkraftanlagen zur mechanischen Energieerzeugung für Strom) ist sie immer verfügbar. Teufel, der absolut gegen Windkraft ist, da seiner Meinung nach die Pflanzen die Landschaft im Schwarzwald verschmutzen (der Schwarzwald ist ein großes bewaldetes Gebirge in Baden-Württemberg im Südwesten Deutschlands) unter anderem, kündigte an, dass Bauherren und Hausbesitzer für die Entwicklung der oberflächennahen Geothermie mit jeweils bis zu 3500 Euro gefördert werden könnten. Am 6. April 2005 gab es einen neuen Zeitungsbericht (Qülle: www.energynet.de): Stuttgart – “Oberflächennahe Geothermie” heißt das neue Förderprogramm der Erdwärmesonde des Landes Baden-Württemberg. Seit dem 01.04.05 werden Erdwärmesonden in Verbindung mit einer Wärmepumpe gepumpt (Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie von einer Wärmequelle an einen sogenannten “Kühlkörper” überträgt), die zum Heizen (und eventuell Kühlen) von Ein- und Zweifamilienhäusern oder Reihenhäusern verwendet werden. Andere Arten von Häusern sind nicht förderfähig. 4. Die weltweite Nutzung der Geothermie findet sich in vulkanisch und tektonisch aktiven Gebieten auf der ganzen Welt. Wichtigere geothermische Lagerstätten befinden sich in den USA , auf den Philippinen, in Mexiko (Mexiko, offiziell die Vereinigten Mexikanischen Staaten, ist eine Bundesrepublik in der südlichen Hälfte Nordamerikas), in Italien (Italien , offiziell die Italienische Republik, ist eine einheitliche parlamentarische Republik in Europa), Island , Japan (Japan ist eine souveräne Inselnation in Ostasien), Neuseeland (Neuseeland ist eine Inselnation im Südwesten des Pazifiks), in der Türkei (Türkei ), offiziell die Republik Türkei , ist ein transkontinentales Land in Eurasien, hauptsächlich in Anatolien in Westasien, mit einem kleineren Anteil auf der Balkanhalbinsel in Südosteuropa), El Salvador (El Salvador, offiziell die Republik El Salvador, ist das kleinste und am dichtesten besiedelte Land Mittelamerikas), Nicaragua (Nicaragua, offiziell die Republik Nicaragua, ist das größte Land in der zentralamerikanischen Landenge) und andere Länder. Einige dieser Länder nutzen die Geothermie (Geothermie ist Strom aus Erdwärme) in großen Geothermiekraftwerken. Auf den Philippinen (Die Philippinen, offiziell die Republik der Philippinen, ist ein souveränes Inselstaat in Südostasien im westlichen Pazifik) wird die Geothermie zur wichtigsten Energiequelle für die Stromerzeugung ausgebaut! Im Jahr 1995 wurden weltweit fast 7 GW elektrische Leistung installiert, bis zum Jahr 2000 waren es voraussichtlich fast 10 GW. Für Heizzwecke und Prozesswärme wurden weltweit ca. 20 Gigawatt in Gebieten mit besonderen geothermischen Bedingungen des Untergrundes gewonnen. Die Anwendung der HDR-Technologie in den großen Industrieländern würde zu einer deutlichen Steigerung des Ergebnisses der Arbeiten zur Stromerzeugung führen. In Bezug auf die Pro-Kopf-Nutzung der Geothermie ist Island (Island ist ein nordisches Inselstaat im Nordatlantik) mit 200 MWe (Das Watt ist eine abgeleitete Leistungseinheit im Internationalen Einheitensystem, definiert als 1 Joule pro Sekunde und kann zur Quantifizierung des Energieübertragungsgrades verwendet werden) installierte Leistung führend. Allein bei der installierten Leistung sind die USA mit 2.000 MWe führend. Insgesamt gibt es in den 22 wichtigsten Ländern, die Geothermie nutzen, nach dem Stand des Jahres 2000 eine installierte Leistung von 8.200 Mwe. (Deshalb ist es oft notwendig, das Abwasser wieder in die Bohrungen zurückzuführen. Dieser Prozess kann auch dazu beitragen, Setzungen zu vermeiden, die auftreten können, wenn große Mengen Wasser aus unterirdischen Speichern entnommen werden. ) – Verschiebung der Gesteinsschichten durch Störungen durch einen Förderbrunnen (Ausdruck dieser Prozesse bei lokalisierten Erdbeben , sogenannte seismische Effekte). Nur zwei Energieträger erfüllen diese Anforderungen: Wasserstoff und Geothermie. Allerdings gibt es Vor- und Nachteile für alles. Dennoch ist und bleibt die Geothermie (Geothermie ist Wärmeenergie, die in der Erde erzeugt und gespeichert wird) die zuverlässigste, die technischen Probleme z.B. der Brennstoffzelle (Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das die chemische Energie aus einem Brennstoff durch eine chemische Reaktion positiv geladener Wasserstoffionen mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in Strom umwandelt) einfach zu groß.