ausführliche physikalische Informationen

Informationen der Gemeinde Ebersbach-Musbach
DIE ERDE
Phys. Grundlagen
Die Erde besitzt einen Radius von ca. 6.500 km und wird in Erdkern (ca. 3.500 km), Erdmantel (ca.
2.900 km) und Erdkruste (kontinentale Kruste < 100 km, ozeanische Kruste < 10 km) unterteilt. Die
chemischen Hauptkomponenten sind vermutlich - da bislang überwiegend nur seismologisch ermittelt
- im Erdkern das Eisen und im Erdmantel Silikate.
Geophysiker gehen zunehmend davon aus, daß der Erdkern großenteils flüssig ist (Schmelze unter
hohem Druck und hoher Temperatur) und einer andauernden Strömung unterliegt. Diese Strömung
könnte sowohl für das Erdmagnetfeld als auch die Phänomene an der Erdkruste (Plattentektonik,
Vulkanismus etc.) verantwortlich sein. Als Ursache dieser Strömung scheint der Zerfall radioaktiver
Isotope als Wärmequelle am wahrscheinlichsten zu sein.
Radioaktiver Zerfall ist auch die Hauptursache für die Temperatur im Erdmantel. Die überwiegenden
Isotope, die für die radiogene Erwärmung verantwortlich sind, sind das Kalium-Isotop K 40, die UranIsotope U 235, U 238 und das Thorium-Isotop Th 232. Möglicherweise leistet auch ein Rest der
sogenannten "Ursprungswärme" einen Beitrag zur Erdtemperatur. Hierunter wird Wärmeenergie
verstanden, die bei der Erdentstehung durch Kontraktion freier Materie entstanden ist und im
Erdinneren eingeschlossen wurde. Im Erdmantel findet eine Konvektion der unter Hitze und Druck
plastisch gewordenen Gesteine statt, die somit einen Wärmetransport bewirken, obgleich sie selbst
schlechte Wärmeleiter sind.
Energiehaushalt
Die Temperaturen im Erdinneren betragen nach Schätzungen über 5.000 °C. Der nach außen
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gerichtete Wärmestrom weist an der Erdoberfläche mit einem Energiegehalt von ca. 0,06 W/m eine
Energiedichte auf, die derzeit technisch nicht nutzbar ist. Die Geothermie nutzt durch Tiefbohrungen
die Erdwärme selbst. Der Temperaturanstieg beträgt in der Regel ca. 30 °C pro 1.000 m (bezogen auf
die obere Erdkruste). An geothermischen Anomalien werden ca. 100 °C Temperaturanstieg pro 1.000
m Tiefe erreicht, was diese Standorte für geothermische Kraftwerke besonders geeignet macht. In
Deutschland sind Standorte mit entsprechend großen geothermischen Anomalien nicht bekannt, in
anderen Ländern (z.B. Mexiko, Kenia, El Salvador) steuert die Geothermie über 30 % der gesamten
Stromerzeugung bei.
Bei der Nutzung von Aquiferen (wasserführenden Schichten im Untergrund) unterscheidet man heiße
Aquifere (über 100 °C), warme Aquifere (40-100 °C) sowie niedrig temperierte Aquifere (unter 40 °C).
Einzig die heißen Aquifere sind zur Produktion elektrischer Energie geeignet.
GEOTHERMISCHE ANLAGEN
Geothermische Anlagen nutzen die Erdwärme zu Heizzwecken oder bei entsprechender
Vorlauftemperatur zur Erzeugung elektrischer Energie. Es wird einerseits unterschieden zwischen
oberflächennaher Geothermie (bis etwa 400 m Tiefe) und Tiefengeothermie (ab etwa 400 m Tiefe)
sowie andererseits zwischen hydrothermaler Geothermie (in Verbindung mit Aquiferen) und dem HotDry-Rock-Verfahren (HDR). Bislang werden max. 10 km tiefe Bohrungen eingebracht. Prinzipiell wird
in einem Primärkreislauf die Wärmeenergie an die Oberfläche gebracht und dort über Wärmetauscher
an Wärmeverbraucher abgegeben.
In geothermisch "normalen" Regionen bilden sehr tief liegende Grundwasserleiter (geothermale
Aquifere) das Potential für die Nutzung der Erdwärme. Bei der Nutzung ist die Zusammensetzung des
Wassers zu beachten, insbesondere ob durch die Abkühlung Ausfällungen in der Anlage zu erwarten
sind. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit das abgekühlte Wasser über eine zweite Bohrung in den
Grundwasserleiter zurückzuführen (durch Staudruck oder Energiezufuhr), eine Einleitung in
Oberflächengewässer dürfte genehmigungsrechtlich einen Ausnahmefall darstellen. Bei der
Wasserrückführung ist zu untersuchen, inwieweit sie sich auf die Porosität bzw. Permeabilität des
wasserführenden Gesteins auswirkt, da es auch hier zu Ausfällungen kommen kann, die den Ertrag
an Thermalwasser begrenzen.
Die Erkundung und Gewinnung von Erdwärme ist im Bundesberggesetz geregelt, ausgenommen
hiervon sind die Verwertung der Wärme sowie die grundstücksbezogene Gewinnung von Erdwärme
(z.B. Erdsonden zur Beheizung des auf dem Grundstück befindlichen Gebäudes mittels
Wärmepumpe). Soweit das Grundwasser im Rahmen der geothermischen Energiegewinnung eine
Rolle spielt, greift das Wasserrecht.
HDR-KRAFTWERKE
Die Nutzung durch das HDR-Verfahren (Hot-Dry-Rock) besteht in zwei Tiefbohrungen, deren
Endpunkte durch hydraulisches Aufbrechen des zwischenliegenden Gesteins miteinander verbunden
und wasserdurchlässig gemacht werden. Durch die eine Bohrung wird anschließend Wasser
eingepreßt, welches durch das aufgebrochene Gestein zum Endpunkt der anderen Bohrung gelangt,
auf dem Weg dorthin ausreichend Wärme aus dem heißen Gestein aufnimmt, so daß es als
Heißwasser in der zweiten Bohrung aufsteigt und einem herkömmlichen Dampfkraftwerk als
Frischdampf bzw. über einen Wärmetauscher als Wärmequelle zur Verfügung steht. Idealerweise
nutzt man hierbei bereits bestehende Kluftsysteme im kristallinen Gestein, die mit zusätzlich initiierten
Rissen zu einem geschlossenen Zirkulationssystem mit hoher Wasserdurchlässigkeit verbunden
werden.
Die erforderliche Pumpleistung ist insbesondere aufgrund des Strömungswiderstandes im Gestein
zwischen den Bohrendpunkten enorm (bis 50 % der Bruttoleistung) und reduziert die Nettoleistung
des Kraftwerks nennenswert. Der Gesamtwirkungsgrad der geothermischen Stromerzeugung liegt bei
ca. 10 %, da die Vorlauftemperatur vergleichsweise niedrig bleibt. Wesentlich höhere Wirkungsgrade
sind erzielbar, wenn die Wärme zu Heizzwecken genutzt werden kann.
In Ausnahmefällen enthält das Tiefengestein erhebliche Anteile Wasser, so daß auf die zweite
Tiefbohrung und das energieintensive Wasserpumpen verzichtet werden kann. Es reicht hier aus, das
Gestein anzubohren und den entweichenden heißen Wasserdampf zu "ernten". Zu beachten sind die
evtl. Emissionen, die von diesem Wasserdampf durch Begleitgase entstehen können.
Geothermische Kraftwerke finden sich vor allem in USA, Mexiko, Philippinen und Japan. In
Deutschland wird bislang nur die thermische Nutzung realisiert.
Ein wirtschaftlicher Betrieb eines HDR-Kraftwerkes kann erst ab einer Leistung von ca. 25 MW th
erwartet werden.
WÄRMESPEICHERUNG
Der Untergrundspeicherung von Wärme kommt zunehmende Bedeutung zu. Einerseits kann sie die
zeitliche Divergenz zwischen verfügbarer Wärme und Wärmebedarf schließen, andererseits kann sie
während der Wärmespeicherphase die Funktion der Kühlung/Klimatisierung von Gebäuden
unterstützen, wodurch in vielen Fällen ein wirtschaftlicher Betrieb von entsprechenden Anlagen
erreicht wird.
Die Kombination von Wärme- und Kältespeicherung bzw. Heizung und Klimatisierung wirkt gleichzeitig
einer "lokalen Erschöpfung" der Wärmequelle entgegen.
Eine Speicherung ist möglich als Aquiferspeicher, einem Tiefenspeicher mit natürlicher
Grundwasserführung, nach dem Förderbrunnen-Schluckbrunnen-Prinzip, als Hohlraumspeicher,
wobei es sich in der Regel um mit Wasser gefüllte Hohlräume ehemaliger Nutzungen (z.B.
Bergwerkstollen) handelt, oder als Erdsonden/Bohrlochspeicher, die mit einer Vielzahl von Erdsonden
oder Bohrlöchern in direktem Kontakt zur Wärmequelle oder über Wärmetauscherflächen erschlossen
werden. Künstlich angelegte Erdspeicher an der Oberfläche sind eher dem Nutzungsbereich von
Wärmepumpen zuzuordnen.
AKTUELLE ENTWICKLUNGEN
Zur Zeit werden Verfüllmaterialien entwickelt, die nach dem Einbringen von Erdsonden oder Rohren
verwendet werden, deren Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,7 W/m/K auf ca. 1,5 W/m/K verbessert ist.
Eine weitere Entwicklung bezieht sich auf die Konditionierung von Thermalwasser hinsichtlich
Zusammensetzung (insbesondere Sauerstoffgehalt), Ionengehalt oder kritischer Temperaturen zur
Optimierung des Gesamtsystems von Nutzung und Speicherung.
Über den Fortgang dieser und weiterer Entwicklungen - soweit verfügbar - halten wir Sie in unseren
aktuellen Meldungen auf dem neuesten Stand.