Geothermie ist eine Form erneuerbarer Energie, die aus der im Erdinneren gespeicherten Wärme gewonnen wird.
Sie gilt als saubere und nachhaltige Energiequelle, da sie ohne die Verbrennung fossiler Brennstoffe auskommt und nur geringe Treibhausgasemissionen verursacht. Diese Energie kann direkt in Form von Wärme genutzt oder mittels Geothermiekraftwerken in Strom umgewandelt werden.
Ursprung der Geothermie
Geothermie entsteht aus der Wärme im Erdinneren, die aus zwei Hauptquellen stammt:
- Der Zerfall radioaktiver Elemente : Isotope wie Uran-238, Thorium-232 und Kalium-40 zerfallen auf natürliche Weise im Erdmantel und erzeugen über Millionen von Jahren eine konstante Wärmemenge. Dieser Prozess trägt wesentlich zur Aufrechterhaltung hoher Temperaturen im Inneren des Planeten bei.
- Restwärme aus der Erdentstehung : Bei der Planetenakkretion vor etwa 4,5 Milliarden Jahren wurden durch die Kollision von Himmelskörpern und die anschließende Verdichtung von Materialien enorme Mengen thermischer Energie freigesetzt. Obwohl ein Teil dieser Wärme in den Weltraum entwichen ist, bleibt ein großer Teil in den inneren Schichten des Planeten gefangen, insbesondere im Kern und im Mantel.
Die Erdkruste fungiert als natürlicher Isolator, doch in bestimmten Regionen, den sogenannten geothermisch aktiven Zonen , ist die Wärme aufgrund des Vorhandenseins von Vulkanen, geologischen Verwerfungen, Geysiren oder heißen Quellen leichter zugänglich.
Diese Gebiete befinden sich vor allem an den Grenzen tektonischer Platten, wo magmatische Aktivität und die Zirkulation hydrothermaler Flüssigkeiten die Wärmeübertragung vom Erdinneren an die Oberfläche erleichtern.
Wie wird Erdwärmeenergie gewonnen?
Geothermiewärme wird durch das Bohren unterirdischer Brunnen gewonnen, um an die innere Wärme der Erde zu gelangen.
Je nach Temperatur und Tiefe der Ressource gibt es unterschiedliche Methoden der Ausbeutung:
- Trockendampfsysteme : Diese werden in Feldern eingesetzt, in denen Dampf auf natürliche Weise aus dem Untergrund austritt. Der Dampf wird direkt in eine Turbine geleitet, um Strom zu erzeugen. Beispiel: Das Geothermiekraftwerk Geysers in Kalifornien, USA.
- Heißwasser- oder geothermische Flüssigkeitssysteme : Hierbei wird heißes Wasser oder ein Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Untergrund gefördert und durch einen Abscheider geleitet, der den Dampf von der Flüssigkeit trennt. Der Dampf treibt eine Turbine an und überschüssiges Wasser kann wieder in das Reservoir gepumpt werden, um die Nachhaltigkeit der Ressource zu erhalten.
- Neunstoffzyklus : Wird in Quellen mit mittlerer Temperatur verwendet, bei denen das extrahierte Wasser nicht heiß genug ist, um direkt Dampf zu erzeugen. Dabei zirkuliert eine Sekundärflüssigkeit mit niedrigerem Siedepunkt, die sich in Dampf verwandelt und die Turbine antreibt.
- Heizungs- und Klimaanlagen : Bei niedrigen oder sehr niedrigen Temperaturen kommen Erdwärmepumpen zum Einsatz, die dem Untergrund Wärme entziehen, um im Winter Gebäude zu heizen und im Sommer Wärme abzuführen.
Prozess der Geothermie-Energieerzeugung
In Häusern und Gebäuden
Eine der wichtigsten Anwendungen geothermischer Energie ist die Klimatisierung von Gebäuden und Wohnungen. Mit Erdwärmepumpen ist es möglich, im Winter Wärme aus dem Erdreich zu gewinnen und so Räume zu heizen, im Sommer hingegen Wärme aus den Innenräumen abzuführen und so diese zu kühlen.
Ablauf im Winter:
- Im Erdwärmekollektorkreislauf zirkuliert das Wasser durch den Untergrund und wird erwärmt.
- Ein Wärmetauscher überträgt Wärmeenergie auf den Emitterkreislauf, der das Haus heizt.
Ablauf im Sommer:
- Die Wärme aus dem Gebäudeinneren wird an den Untergrund abgegeben, wodurch das Innenklima gekühlt wird.
- Geothermie ermöglicht eine effiziente und nachhaltige Kühlung.
Darüber hinaus wird Erdwärme auch für Fußbodenheizungen und die Warmwasserbereitung genutzt.
In Geothermiekraftwerken
Geothermiekraftwerke wandeln Wärme aus dem Erdinneren durch einen thermodynamischen Zyklus in Elektrizität um:
- Wärmegewinnung : Geothermiebrunnen werden gebohrt, um heißes Wasser oder Dampf zu gewinnen.
- Umwandlung in mechanische Energie : Der Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist.
- Stromerzeugung : Mechanische Energie wird in Strom umgewandelt, der in das Stromnetz eingespeist wird.
- Wasserrückführung : Nach der Verwendung wird das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund injiziert, um das Gleichgewicht des Grundwasserleiters aufrechtzuerhalten.
Arten von geothermischen Quellen
Diese erneuerbaren Energiequellen werden durch die Nutzung der inneren Wärme der Erde mittels geothermischer Bohrungen gewonnen. Es gibt mehrere Gebiete mit heißen Quellen.
Bei diesem Thermalwasser kann es sich um Wasser handeln, das in Spas oder anderen Zentren verwendet wird. Diese Gewässer werden durch die Temperatur im Erdinneren erwärmt.
Heißes Wasser mit hoher innerer Energie kann auf natürliche Weise durch die Impulse von Wasser- und Dampfströmen oder durch Pumpen fließen. Die Auswahl der anzuwendenden Methode muss auf der Grundlage der wirtschaftlichsten Vorgehensweise erfolgen.
Es gibt keine einheitliche Methode zur Nutzung dieser Energieart. In einigen Ländern gab es Projekte, die aufgrund ihrer wirtschaftlichen Undurchführbarkeit abgelehnt werden mussten.
Magma (geschmolzenes Gestein) ist eine hervorragende Quelle geothermischer Energie, da Gestein nur bei extrem hohen Temperaturen in flüssigem Zustand vorkommt. Mit der verfügbaren Technologie ist dies jedoch wirtschaftlich nicht rentabel.
Bei Warmwassergewinnungsanlagen ist die Anzahl der Geothermiebohrungen üblicherweise gerade. Aus einem wird heißes Wasser entnommen, aus dem anderen wird gekühltes Wasser wieder in den Grundwasserleiter eingespeist.
Arten von geothermischen Quellen
Geothermie wird nach der Temperatur der Wärmequelle klassifiziert, die ihre möglichen Anwendungen bestimmt:
1. Hohe Temperatur (>150°C)
Diese Quelle befindet sich hauptsächlich in aktiven Vulkangebieten, wo sich das Magma relativ nahe an der Erdoberfläche befindet. Diese Energieart ermöglicht eine effiziente Stromerzeugung durch den Einsatz von Dampfturbinen in konventionellen Geothermiekraftwerken. In einigen Lagerstätten können Temperaturen von bis zu 400 °C erreicht werden, was die Effizienz des Energieumwandlungsprozesses maximiert.
Ein prominentes Anwendungsbeispiel ist das Geothermiekraftwerk Hellisheiði in Island, eines der größten der Welt.
2. Mittlere Temperatur (70°C - 150°C)
Mitteltemperaturquellen befinden sich in Regionen mit mäßiger geothermischer Aktivität, wo das Grundwasser auf ein für die Energieerzeugung geeignetes Niveau erwärmt werden kann. Es wird hauptsächlich in Zweikreiskraftwerken eingesetzt, in denen niedrigsiedende Flüssigkeiten zur Stromerzeugung in Turbinen verwendet werden.
Es wird auch in Fernwärmenetzen verwendet, in denen Wärme über ein zentrales System an mehrere Gebäude verteilt wird. Ein Anwendungsbeispiel sind Fernwärmeanlagen in Deutschland und Frankreich, die diese Ressourcen nutzen, um den Einsatz fossiler Brennstoffe zu reduzieren.
3. Temperatur Stahl (50°C - 70°C)
Dieser Typ kommt häufig in ausgedehnteren geothermischen Formationen vor, weist jedoch eine geringere thermische Intensität auf. Es wird hauptsächlich zum Heizen von Häusern, Gewächshäusern und industriellen Prozessen wie dem Trocknen landwirtschaftlicher Produkte und der Entsalzung von Wasser verwendet.
Es kann in Kombination mit Wärmepumpen verwendet werden, um die Energieeffizienz in Wohn- und Geschäftsumgebungen zu steigern.
Ein Beispiel für diese Anwendung ist die Nutzung geothermischer Energie in Gewächshäusern in den Niederlanden, um das Pflanzenwachstum in kalten Klimazonen zu optimieren.
4. Sehr niedrige Temperatur (<50°C)
Geothermie mit sehr niedrigen Temperaturen stellt die zugänglichste Form der Erdwärme dar, da es sogar in nicht-vulkanischen Gebieten möglich ist, die Wärme aus dem Untergrund zu nutzen. Es wird in Klimaanlagen mit Erdwärmepumpen eingesetzt, die im Winter die Wärme entziehen und im Sommer abführen.
Seine Energieeffizienz ist der herkömmlicher Heiz- und Kühlsysteme überlegen und macht es zu einer nachhaltigen Option für Wohnhäuser und Gewerbegebäude.
Anwendungsbeispiele sind geothermische HLK-Systeme in Flughäfen und Einkaufszentren in den USA und Kanada.
Anwendungsbeispiele
Die Einsatzmöglichkeiten der Geothermie sind vielfältig:
- Gebäudeklimatisierung : Ermöglicht effizientes Heizen im Winter und Kühlen im Sommer und reduziert so den konventionellen Energieverbrauch.
- Warmwasser für den Hausgebrauch : Wird in Haushalten, Krankenhäusern und Sportzentren verwendet und sorgt für eine konstante und effiziente Warmwasserversorgung.
- Stromerzeugung : In Geothermiekraftwerken, die die hohen Temperaturen ausnutzen, um auf nachhaltige Weise Strom zu erzeugen.
- Industrielle Prozesse : Es wird zum Trocknen landwirtschaftlicher Produkte, zur Destillation, Pasteurisierung und Sterilisation in verschiedenen Industrien verwendet und optimiert die thermische Effizienz.
- Spas und Thermaltourismus : Nutzung der therapeutischen Wirkung des Thermalwassers, Förderung des Wellness- und Gesundheitstourismus.
- Landwirtschaft und Gewächshäuser : Erwärmung von Böden und Umgebungen zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion, wodurch der Anbau von Nutzpflanzen auch bei widrigen Wetterbedingungen ermöglicht und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert wird.
- Wasserentsalzung : Die Nutzung geothermischer Wärme zur Entsalzung von Meerwasser stellt eine nachhaltige Lösung für die Trinkwasserversorgung in trockenen Regionen dar.
- Straßenenteisung : Einsatz geothermischer Wärme, um die Eisbildung auf Straßen und Flughäfen zu verhindern und so die Verkehrssicherheit in kalten Klimazonen zu verbessern.