Geothermie - Ausarbeitung
Sondergebiete der Technik
Inhaltsverzeichnis
Was ist Geothermie?. 2
Ursprünge Geothermischer Energie. 2
Geothermische Energie durch Sonneneinstrahlung. 2
Geothermische Energie aus dem Zeitalter der Entstehung der Erde. 2
Geothermische Energie durch den radioaktiven Zerfall3
Nutzung der Erdwärme. 3
Methoden. 3
Direkte Nutzung:3
1. Erdkollektoren:3
2. Tiefenbohrungen:4
3. Wasser-Wasser-Wärmepumpe. 4
Indirekte Nutzung. 5
Geothermiekraftwerke. 5
Geothermie außerhalb Deutschlands6
Geothermie in Deutschland. 7
Zahlen und Daten. 7
Oberflächennahe Geothermie. 7
Tiefe Geothermie. 7
Rechtliche Situation in Deutschland. 7
Staatliche Fördermittel8
Risiken geothermischer Anlagen. 8
Oberflächennahe Geothermie. 8
Tiefe Geothermie. 8
Schäden in unserer Umgebung. 8
Schorndorf8
Staufen im Breisgau. 9
Rudersberg. 10
Mein Fazit10
Literaturverzeichnis11
Was ist Geothermie?
Das Wort Geothermie (oft auch ‚Geothermik‘) bedeutet so viel wie Erdwärme.
Dies kommt aus dem Griechischen von „gé“ = Erde, Land; und „thermós“ = warm, heiß.
Unter Geothermie versteht man die Lehre der Temperaturverteilung und den Wärmeströmen innerhalb des Erdkörpers, sowie die Nutzung dieser Wärme.
Wenn man diese Wärme nutzt, nutzt man oft die Energie die unter der Erde im Wasser gespeichert ist, da das Wasser am meisten Wärme aufnehmen kann, und es am leichtesten zu fördern ist.
Die Erdwärme ist die Wärme des Erdkörpers, und die Abstrahlung dieser Wärme. Die Energie ist nach menschlichen Maßstäben unermesslich, jedoch nicht erneuerbar. Diese Energie ist keine erneuerbare Energie!
Ursprünge Geothermischer Energie
Größtenteils stammt die Geothermische Energie aus dem inneren der Erde, und nur in der obersten Schicht der Erdkruste trägt die Sonneneinstrahlung dazu bei. Die mit zunehmender Tiefe ansteigende Temperatur kommt vor allem durch den radioaktiven Zerfall, und der Restwärme aus der Zeit der Entstehung unserer Erde.
Geothermische Energie durch Sonneneinstrahlung
Die Energie, die „durch die Sonneneinstrahlung auf die Erde trifft“, hat nur in der Geothermie, welche oberflächennah genutzt wird, eine Bedeutung. Weil diese Energie beträgt nur einen geringen Teil der gesamten Wärmeenergie.
Geothermische Energie aus dem Zeitalter der Entstehung der Erde
Ein weiterer Teil der gesamten Geothermischen Energie, die in unserem Planeten verfügbar ist, stammt aus dem Zeitalter der Entstehung der Erde.
Als vor rund 4,5 Milliarden Jahren unsere Erde entstand, war sie ursprünglich nur eine Wolke aus Staub und Gas. Einzelne Partikel kollidierten mit anderen, welche wiederum mit anderen kollidierten und sich schließlich immer mehr ansammelten, woraus dann unsere Erde entstand. Diese Bewegungsenergie welche bei diesen Kollisionen freigesetzt wurde, wandelte sich in Wärmeenergie um, welche sich an die Materie übertrug.
Diese, immer noch gespeicherte Energie, macht ca. 30-40 % der gesamten Geothermischen Energie in unserer Erde aus.
Geothermische Energie durch den radioaktiven Zerfall
Der größte Teil der Geothermischen Energie, stammt von dem radioaktiven Zerfall. Dieser macht ungefähr 40-50% der gesamten geothermischen Energie aus.
Die bei dem radioaktiven Zerfall langlebiger Isotope/Nuklide freigewordene Kernenergie wird zu Wärmeenergie, Erdwärme. Es entsteht immer Wärme, bei dem Zerfall von Nukliden, jedoch tragen nur einige Nuklide wirklich zu der Erdwärme bei. Dies sind diese, deren Halbwertszeit ungefähr dem Alter unserer Erde entspricht und auch in größeren Mengen vorhanden ist.
Dies sind vor allem die Nuklide 40K, 238U, 235U, 232Th sowie 235 Th. Diese Nuklide findet man größtenteils in Glimmer und Feldspat.
Nutzung der Erdwärme
Es gibt bei der Nutzung von Erdwärme zwei unterschiedliche Arten, zwischen denen man entscheiden muss.
1. Die direkte Nutzung:
Bei der direkten Nutzung, wird die Erdwärme, aus der Erde gefördert, und zum Endverbraucher transportiert.
2. Die indirekte Nutzung:
Bei der indirekten Nutzung wird die Energie, welche in der Erde gespeichert ist, zu Strom umgewandelt. Diese Art hat einen Vorteil gegenüber der ersten, da nicht überall wo Erdwärme gut gefördert werden kann, auch entsprechende Abnehmer sind.
Methoden
Bei der direkten Nutzung wird mit der Erdwärme geheizt. Dies geschieht hauptsächlich mit einer von diesen 3 Methoden:
Direkte Nutzung:
1. Erdkollektoren:
Bei der Nutzung der Erdwärme durch Erdkollektoren, werden auf einer Tiefe von 1,2 bis 1,4 Meter in der Form mäanderförmig Rohre gelegt, welche dann mit einer Flüssigkeit gefüllt werden. Diese Art nimmt aber nur die oberflächennahe Geothermische Energie auf, die durch Sonneneinstrahlung und Niederschläge entstanden ist.
Die Größe des Erdkollektors richtet sich nach der zu beheizenden Fläche. Man benötigt ungefähr das Doppelte an Kollektorfläche wie die zu beheizende Fläche.
Ein verlegter Erdkollektor kann dann wie folgt aussehen:
Abbildung 1 - Erdkollektor
2. Tiefenbohrungen:
Bei der Tiefenbohrung wird eine Erdwärmesonde, kurz EWS, in ein vertikales Bohrloch im Untergrund eingebaut. Diese Erdwärmesonde ist langes U-förmiges Röhrensystem. Mit dieser Erdwärmesonde wird direkt dem Erdreich Wärme entzogen. Der Vorteil gegenüber dem Erdkollektor ist der kleinere Platzaufwand, sowie der bessere Wirkungsgrad.
Ab einer Tiefe von 10 Metern bleibt die Temperatur konstant, und bei 10 Metern beträgt sie hier in unserer Umgebung ca. 11° C. Die Temperatur nimmt in Mitteleuropa ca. 1K je 30 Meter Tiefe zu.
Im normalen privaten Wohnungsbau in Deutschland wird meist nie tiefer als 100 Meter gebohrt. Wobei dies in anderen Ländern meist anders ist. So wird in der Schweiz oft sogar bis 300 Meter Tiefe gebohrt.
Die Tiefe dieser beiden Brunnen richtet sich nach der Tiefe des Grundwassers.
Auf Grund der Jahreszeitenunabhängigen Temperatur des Grundwassers, ist diese Art der Wärmegewinnung besonders effizient.
Allerdings ist die Brunnenbohrung auch sehr teuer, und das Grundwasser muss bestimmte Bedingungen erfüllen, wie zum Beispiel einen bestimmten Mineralgehalt.
Abbildung 2 - Arten der Wärmegewinnung in der direkten Nutzung
Bei allen drei Arten der direkten Wärmegewinnung wird eine Wärmepumpe benutzt um die Wärme zu gewinnen, und nicht direkt das Wasser wie ein Durchlauferhitzer erwärmt. Dies geschieht daher, da Die Flüssigkeit in dem System nur wenige Grad unterschied wie die Wärmepumpe hat.
Indirekte Nutzung
Geothermiekraftwerke
Bei der Indirekten Nutzung Geothermischer Energie, wird in Geothermie Kraftwerken Strom erzeugt. Die Geothermie Kraftwerke funktionieren fast gleich wie die Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Bei diesen Kraftwerken werden aber die Brunnen, an Stellen wo thermal-Wässer liegen, bis zu 4000 Meter tief in die Erde gebohrt. Diese Wässer können Temperaturen von 80-140 Grad haben.
Dieses angezapfte Wasser wird nun angesaugt, durch einen Wärmetauscher gegeben, und wieder ins Erdreich zurück gepumpt. Die Restwärme die danach im Wasser noch steckt, kann dann genutzt werden um z.B. Haushalte zu heizen.,
Hot-Dry-Rock Verfahren:
Bei einem Geothermie-Kraftwerk kann ebenso das Hot-Dry-Rock Verfahren genutzt werden, um Energie aus 3000-6000 Meter zu fördern. Bei diesem Verfahren wird in einer Tiefe von 3000-6000 Metern zunächst Wasser mit hohem Druck (~150 Bar) in das Gestein gepresst, sodass in dem Gestein Risse von einer Dicke bis zu 1 Millimeter entstehen. Nun kann Wasser durch eine Bohrung heruntergepumpt werden, und durch eine andere Bohrung wieder hochgepumpt werden.
Dieses Wasser erhitzt sich in dieser Tiefe auf bis zu 200° C. Dadurch dass dieses Wasser so heiß ist, gelangt es durch die natürlichen thermischen Auftriebskräfte leichter nach oben.
So wird zum Beispiel in Island bereits 25% des ganzen Stroms aus der Geothermie bezogen. Dazu heizen 90% aller Haushalte in Island mit Erdwärme. Mit Erdwärme und Wasserkraft deckt das Land Island ihren ganzen Energiebedarf.
Geothermie in Deutschland
Zahlen und Daten
Oberflächennahe Geothermie
In Deutschland gibt es in der oberflächennahen Geothermie, also <400 Meter Bohrtiefe, bereits 316000 Anlagen, die aktuell im Betrieb sind. Diese bringen insgesamt 3931 Megawatt Wärmeenergie.
Pro Jahr werden, laut dem Bundesverband für Geothermie, 18500 neue Anlagen installiert, welche 196 Megawatt Energie bringen.
Tiefe Geothermie
In der Tiefen Geothermie sind aktuell 29 Kraftwerke in Betrieb. Davon sind 19 Kraftwerke reine Heizkraftwerke, 3 Kraftwerke reine Stromkraftwerke, und 7 Kraftwerke Heiz- und Stromkraftwerke. Diese bringen insgesamt 271,02 Megawatt Wärmeleistung und 32,19 Megawatt elektrische Leistung.
Jährlich werden durch diese Anlagen (Daten von 2013) 0,079 Terrawattstunden Strom und 8 Terrawattstunden Wärme bereitgestellt. Dies entspricht dem jährlichen Strombedarf von etwa 8300 2-Personen Haushalten und dem jährlichen Wärmebedarf von 580000 2-Personen Haushalten.
Rechtliche Situation in Deutschland
Nach dem deutschen Bergrecht ist Geothermische Energie, zunächst Herrenlos, da sie als bergfreier Rohstoff gilt. Jedoch, muss man eine Erlaubnis des Staates bekommen, um Erdwärme aufzusuchen. Dies ist in §7 des Bundesberggesetzes deklariert. Für die Gewinnung von geothermischer Energie benötigt man eine Bewilligung nach §8 des Bundesberggesetzes. „Da aber die meisten Anlagen bei Oberflächennaher Geothermie auf dem eigenen Grundstück gebaut worden sind, konnten sie bislang nach dem §4 des BbergG ohne ein solches Verfahren erstellt werden.“
Bei Bohrungen über 100 Meter tiefe ist ebenso ein bergrechtlicher Betriebsplan erforderlich.
Wegen diesen vielen zu beachtenden Dingen, entscheiden sich viele Haushalte auch gegen Geothermie. Dies liegt vor allem an den rechtlichen Hürden und an den hohen Kosten für den Bau einer solchen Anlage.
Staatliche Fördermittel
In Deutschland gibt es verschiedene Staatliche und auch Kommunale Fördermittel die den Bau einer Geothermisch betriebenen Anlage unterstützen.
Diese sind jedoch je Landkreis/Bundesland unterschiedlich, weswegen man sich bei diesen Fördermitteln gesondert informieren muss.
Risiken geothermischer Anlagen
Oberflächennahe Geothermie
Von Anlagen der Oberflächennahen Geothermie gehen meist keine Risiken aus, wenn diese regelmäßig gewartet und überwacht werden.
Schäden in unserer Umgebung
Schorndorf
In Schorndorf kam es zu erheblichen Schäden nach Erdwärmebohrungen. Bei diesen Bohrungen wurden zwei Grundwasserschichten miteinander verbunden, sodass das Grundwasser in die tiefer liegende Steinschicht zur anderen Grundwasserschicht dringen konnte, wodurch ein Hohlraum entstand. Dieser Hohlraum führte dazu, dass sich die Erdoberfläche einer ganzen Siedlung absenkte.
Dadurch entstanden erhebliche Gebäudeschäden. Ebenso musste eine Grundschule schließen, nachdem es zu großen Rissen im Mauerwerk kam.
Abbildung 4 - Schäden eines Hauses in Schorndorf
Staufen im Breisgau
In Staufen im Breisgau kam es zu extremen Schäden in der Höhe von 50.000.000€ nach einer missglückten, unüberlegten Bohrung. Bei der Bohrung wurde ein unter hohem Druck stehendes Wasserreservoir angebohrt, wodurch dann das Wasser nach oben in eine sehr große Gipsschicht gelangen konnte. Diese quoll durch das Wasser auf, und quillt auch jetzt noch auf.
Es sind ungefähr bereits 270 Gebäude durch diese Hebung beschädigt. Davon ist die gesamte Altstadt betroffen.
Rudersberg
In Zumhof einem kleinen Dorf im Kreis Ruderbergs passierte ähnliches wie in Staufen.
Wasser drang in eine Gipsschicht im Gestein ein und ließ diese aufquellen. Allerdings entstanden dabei nicht so viele Schäden wie in Staufen oder Schorndorf. Die hauptsächlichen Risse oder Schäden waren an Garagen und Wintergärten zu finden.
Mein Fazit
Erdwärme ist meiner Meinung nach, eine gute, sinnvolle und nahezu unermessliche Energiequelle.
Da mit der Zeit auch die fossilen Brennstoffe zur Energiegewinnung zuneige gehen, sollte man ernsthaft darüber nachdenken, andere Energieformen zu erschließen und zu nutzen. Hier bietet sich die Erdwärme hervorragend an. Sie ist relativ zuverlässig, und sie gibt es in nahezu unermesslichen Mengen.
Literaturverzeichnis
„Bine - Hot Dry Rock.“ Bine Informationsdienst. Dezember 2008. (Zugriff am 29. November 2015).
Bundesverband Geothermie: In Deutschland. 2015. (Zugriff am 05. November 2015).
Energieheld - Erdkollektoren. 2015. (Zugriff am 03. November 2015).
Energieheld - Wasser-Wasser-Wärmepumpe. 2015. (Zugriff am 03. November 2015).
Erdwärme - transducers01. kein Datum. (Zugriff am 03. November 2015).
Erdwärmesonde - Wikipedia. 15. März 2015. (Zugriff am 03. November 2015).
Exorka - Was ist Geothermie? 2015. (Zugriff am 29. September 2015).
Frank, Hans Georg. „Schäden an einer Schule und mehr als zehn Häusern in Schorndorf nach Erdwärmebohrungen - Tagblatt.“ Tagblatt.de. 18. Dezember 2009. (Zugriff am 24. November 2015).
„Geothermale Energie in Island - Wikipedia.“ Wikipedia. 08. August 2015. (Zugriff am 11. November 2015).
„Geothermie - Alternative Energien.“ Alternative Energien. kein Datum. (Zugriff am 28. November 2015).
„Geothermie - Wikipedia.“ Wikipedia. 24. September 2015. de.wikipedia.org/wiki/Geothermie (Zugriff am 29. September 2015).
GRS|Deutschland. Wie funktioniert ein Geothermiekraftwerk - GRS|Deutschland. 22. April 2014. (Zugriff am 04. November 2015).
„Hebungsrisse in Staufen im Breisgau - Wikipedia.“ Wikipedia. 20. November 2015. (Zugriff am 24. November 2015).
„Hot-Dry-Rock-Verfahren - Wikipedia.“ Wikipedia. 17. Juni 2015. (Zugriff am 19. November 2015).
Munzinger Brockhaus. „Eintrag "Geothermik".“ In Brockhaus - Enzyklopädie in 30. Bänden. 21. Auflage. Ravensburg: Munzinger-Archiv, 2015.
„Sanierung des Schadenfalls im Lilienweg Schorndorf.“ kein Datum. (Zugriff am 24. November 2015).
Scheinpflug, Günter. „Bohrungen in Stuttgarter Region - Stuttgarter Zeitung.“ Stuttgarter Zeitung. 18. November 2013. (Zugriff am 24. November 2015).
Wärmepumpen.info Wasser-Wasser-Wärmepumpe. 2014. (Zugriff am 03. November 2015).
„welt.de - Staufen und die Geothermie Risse.“ welt.de. 20. März 2014. (Zugriff am 24. November 2015).
Quellen & Links
EN
Warenkorb
