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01|Überuns scinexx.de-DasWissensmagazin scinexx®-sprich['saineks],eineKombinationaus“science”und“next generation”-bietetalsOnlinemagazinseit1998einenumfassenden Einblick in die Welt des Wissens und der Wissenschaft. Mit einem breiten Mix aus News, Trends, Ergebnissen und Entwicklungen präsentiert scinexx.de anschaulich Informationen aus Forschung undWissenschaft. DieSchwerpunktthemenliegenindenBereichenGeowissenschaften, Biologie und Biotechnologie, Medizin, Astronomie, Physik, Technik sowie Energie- und Umweltforschung. Das Internetmagazin spricht allewissbegierigenUseran-obinBeruf,StudiumoderFreizeit. scinexx wurde 1998 als Gemeinschaftsprojekt der MMCD NEW MEDIA GmbH in Düsseldorf und des Heidelberger Springer Verlags gegründet und ist heute Teil der Konradin Mediengruppe mit dem bekannten Magazin Bild der Wissenschaft sowie den Wissensangeboten:wissen.de,wissenschaft.de,scienceblogs.de, natur.deunddamals.de. 02|Inhalt 01 02 ÜBERUNS INHALT 03 GEOTHERMIEWELTWEIT DieLösungallerEnergieprobleme? 04 IMPRESSUM 03|Geothermieweltweit DieLösungaller Energieprobleme? VONINABERGER 99ProzentdesErdballssindheißerals1000°CundeinTeildieser WärmeströmtständigandieOberfläche.Könntemandiesein elektrischeEnergieumwandeln-derWelt-Energiebedarfwäreleicht gedeckt. ZUMINNERNHINWIRD’SIMMERWÄRMER U rsprung der Erdwärme Wie die Beobachtungen aus MinenundBergwerkenzeigen,wirdes,jetiefermanins Erdinnere kommt, immer wärmer. Arbeiter in den tiefsten Stollen der Welt arbeiten bei Temperaturen von ca. 45°C. Durch Tiefenbohrungen und durch spezielle Temperatursonden,dieindieweichenSedimentedesMeeresbodens gestoßen wurden, stellte man fest, dass es sich bei der Temperaturzunahme zum Erdinneren hin um ein weltweites Phänomen handelt. Man nennt es Erdwärme, oder - mit dem Fachbegriff-Geothermie. Der Anstieg der Temperaturen mit zunehmender Erdtiefe, der geothermische Gradient, beträgt etwa zwei bis drei Grad pro 100 Meter Tiefe. Da Wärmeenergie immer vom Ort der höheren Temperatur zu Stellen niedrigerer Temperatur fließt, ließ sich aus diesem Gradienten schließen, dass ein Wärmefluss vom Erdinnern zur Erdoberfläche existiert. Der Ursprung dieses Wärmeflusses wurde intensiv untersucht. Man führt ihn auf verschiedene Quellen zurück. Ein Teil der Erdwärme stammt aus der Zeit der Erdentstehung. Kosmisches Material, das von der Schwerkraft der wachsenden Erde angezogen wurde, setzte beim Aufprall mit hohen Geschwindigkeiten wahrscheinlich enorme Wärmemengen frei. Man nimmt an, dass die Erde bei ihrer Entstehung glutflüssig war und dann langsam abkühlte. Dieser Wärmefluss, den man auch Geysire-ZeugenderErdwärme©DOE Ursprungswärme nennt, macht jedoch nur etwa 30 Prozent der Erdwärme aus. Der größere Teil,nämlichca.70ProzentdesbeobachtetenWärmeflussesentsteht bei dem ständigen radioaktiven Zerfall der in der Erde natürlich vertretenen radioaktiven Elementen wie Uran (U 238), Thorium (Th 232) und Kalium (K 40). Die Atomkerne geben durch a -Zerfall über Zeiträume von Milliarden Jahren kleine aber regelmäßige Wärmemengen ab. Die radioaktiven Elemente sind im natürlichen GesteinwieGranitundBasaltenthalten.EineTonneGranitliefertim Durchschnitt pro Sekunde 0,8´ 10-6 Joule Wärme. Bei einer Dicke der Granitschicht unter den Kontinenten von durchschnittlich 20 KilometernbeträgtderWärmeflusszurErdoberfläche4,2´10-6Watt pro Quadratzentimeter. Eine kleine, fast vernachlässigbare Wärmequelle stellt außerdem die Gezeitenreibung dar. Würde der TemperaturanstiegzumErdinnernhindiegleichmäßigeRatevon3°C pro 100 Meter beibehalten, so würde man für den Erdmittelpunkt (6350 km) eine Temperatur von 190.500°C erhalten. Vermutlich ist dieTemperaturdortjedochgeringerals6000°C.Diesunterstütztdie Vermutung,dassdergrößtederTeilderWärmeimGesteinnaheder Oberfläche erzeugt wird. Die Rate des Temperaturanstieges mit jedem weiteren Kilometer Tiefe nimmt demnach ab. Der genaue Temperaturverlaufunterhalbvon10kmistunbekannt. MAGMASTRÖMESORGENFÜRUNRUHE G eothermische Anomalien Nur durch Untersuchungen von Erdbebenwellen und der Geschwindigkeit, mit der sie sich durch die Erde fortpflanzen, kann man sich ein Bild vom Aufbau der Erde machen. Direkte Untersuchungen sind aufgrund der hohen Temperaturen, der riesigen Entfernungen und den daraus entstehenden technischen Anforderungenunmöglich. Man geht davon aus, dass sich im Innern der Erde ein fester Eisenkern befindet. Dieser ist von einem geschmolzenen äußeren KernausMetall,vermutlichauchüberwiegendausEisenbestehend, umgeben. Nach außen hin folgen ein fester Gesteinsmantel (Mesosphäre), der wahrscheinlich im äußeren Teil eine zum Teil geschmolzene Zone enthält (Asthenosphäre) enthält, und eine feste Gesteinskruste (Lithosphäre) an der Erdoberfläche. Die Kruste hat eine sehr unterschiedliche Dicke. Unter Gebirgen erstreckt sie sich bis zu einer Tiefe von 65 Kilometer, unter den Meeren dagegen ist die Kruste wesentlich dünner, an einigen Stellen misst sie nur 8 Kilometer.DerDurchschnittswertliegtbeietwa20Kilometern.Inder flüssigen Asthenosphäre finden Konvektionsströme statt: geschmolzenes, heißes Gestein - Magma - steigt auf. Mit dem Abkühlen wird die Dichte größer und das erkaltete Magma sinkt ins Erdinnere zurück, wo es wieder aufgeheizt wird. Diese Konvektionsströme führen zu Bewegungen der tektonischen Platten. Dort wo zwei aufsteigende Magmaströme aufeinander treffen, drängt sich das Magma zwischen die Plattengrenzen und treibt sie auseinander (divergierende Platten). Aus dem erstarrenden Magma bildet sich Lavastrom©USGS eine neue Kruste, die sich auf dem Meeresboden ausbreitet (mittelozeanische Rücken, Riften). In Bereichen, wo zwei absteigende Magmaströme aufeinandertreffen, werden zwei Platten aufeinanderzu geschoben (konvergierende Platten),wobeisicheinePlatteunterdieandereschiebt(Subduktion). Die tektonische Aktivität erzeugt aufsteigendes Magma, das Vulkane aufbaut und Erdbeben erzeugt. In diesen Bereichen der Erdkruste fließt wesentlich mehr Wärme aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche als anderswo. Man nennt sie daher geothermische Anomalien. Es sind dort Temperaturgradienten von 15°C pro 100 Metern möglich. Schon in vier Kilometer Tiefe steigen die Temperaturendortauf400°C,währendanStellenmitgeothermisch normalem Gradienten nur zwischen 120°C und 150°C herrschen. GebietemitgeothermischenAnomalienfindetmanalsovorallemin den geologisch aktiven Zonen, in denen Vulkane, Geysire und Erdbebenbesondershäufigauftreten.Diessindbeispielsweise:*die gesamte Westküste Nord- und Südamerikas * die Aleuten, Japan, Phillipinen, Indonesien * der Mittelatlantische Graben mit Island * derOstenAfrikasnördlichvonTansaniabisindenBereichdesRoten MeeresundderGolfstaaten*Iran,Türkei,Mittelmeer LAVASEEN,AQUIFERENUNDHOTDRYROCKS G eothermische Lagerstätten Ein gewisse Menge der Erdwärme wird als Wärmestrom gleichmäßig an die Atmosphäreabgegeben.DieWärmekannabervorallem in den Regionen mit geothermischen Anomalien auch zum Teil recht nah an der Erdoberfläche “gespeichert” werden. Für die Nutzung dieser Erdwärme unterscheidet man je Speicherform Gestein oder Wasser - und in Abhängigkeit von der Temperatur folgendegeothermischeLagerstätten:InvulkanischaktivenRegionen sind heiße Lavavorkommen zu finden. In den Lavaflüssen und Lavaseen betragen die Gesteinstemperaturen bis zu 1200°C. In Heißdampflagerstätten (Fumarole, Soffione) wird durch einen magmatischen Körper Grundwasser aufgeheizt, sodass sich Heißdampf bildet. Eine impermeable Schicht über dieser Dampflagerstätte lässt diesen Dampf nicht entweichen. Auch in Heißwasservorkommen wird Wasser in einer porösen Gesteinsschicht, Aquifere genannt, durch einen magmatischen Körper erwärmt. Durch den enormen Wasserdruck, der auf dem Aquifer lastet, bleibt das Wasser trotz hoher Temperaturen im flüssigen Zustand. Der Wasserkreislauf wird durch den natürlichen Auftrieb (Konvektion) des heißen Wassers angetrieben. Über dem Aquifer befindet sich Gestein mit niedriger Permeabilität. Wasser dringtnurinbegrenztenBereichennachoben.DasHeißwasserkann in Form von heißen Quellen und Geysiren zutage treten. Bei Aquiferen mit Temperaturen unter 100°C spricht man von Warmwasserreservoiren, wie sie vor allem in Island und Frankreich zu finden sind. An jedem Ort der Erde befindet sich in circa fünf Kilometer Tiefe trockenes, heißes Gestein, sogenannte “Hot Dry Rocks”. ERSTENUTZUNGDERERDWÄRME L ardarello - Das weltweit erste Erdwärme-Kraftwerk Die Energie, die die Erde in Form von Wärme ständig abgibt, könnte-würdesie“eingefangen”-alleEnergieproblemeder Menschen auf einen Schlag lösen. Der durchschnittliche Wärmestrom beträgt 0,06 Watt Energie pro Quadratmeter Erdoberfläche. Dies entspricht mehr als dem Doppelten der gesamten Energie, die zurzeit durch die Verbrennung von Holz, Kohle,ÖlundGasproduziertwird.FürdieGewinnungvonEnergieist der Wärmestrom der Erde dennoch zu gering. Anders sieht es dagegen bei der gespeicherten Erdwärme im Bereich geothermischer Anomalien aus. Dort wird sie schon seit Urzeiten vomMenschenfürverschiedeneZweckegenutzt.Germanen,Gallier undKeltenbadeteninheißenQuellen.DieRömerbautendieersten richtigen Bäder, die Thermen. Den Wärmefluss der Erde nutzten auch arktische Völker, wie die Bewohner von Kamtschatka in Ostsibirien, bei Bau ihrer Erdhäuser, um sich vor der Kälte zu schützen.InihrenunterirdischenBehausungenisoliertedasErdreich zumeinengegendieKältederLuft.Zugleichströmtevonuntenher Erdwärmenach,sodassabetwafünfMeternTiefeganzjährigumdie 10°Cherrschten. DieersteindustrielleNutzung der Erdwärme gelang dem jungen Franzosen Francois Larderel. Dieser gründete zwischen 1818 und 1835 neun Borsäure-Fabriken. Borsäure wird als Desinfektionsmittel, zur Herstellung von Glasuren für Steingut- und Porzellanwaren undBlechgeschirre-“Emaille” - sowie Lardarello©HaraldFrater temperaturbeständigen und optischen Gläsern verwendet. Die Borsäure gewann er aus dem Wasser der “lagoni”. Dies sind aus der Erdtiefe gespeiste Teiche zwischenVolterraundMassaMarittima.Umdasstarkmineralhaltige WasserzuverdampfenundBorsäurekristallezuerhalten,heizteman die Eisenkessel zunächst mit Holz. Nachdem dieses jedoch immer teurer wurde, ließ Larderel 1827 über einigen “lagoni” Kuppeln aufmauern,welchedenausströmendenWasserdampfeinfingenund als Prozesswärme an die Kessel leiteten. 1828 veranlasste Larderel die erste gezielte Bohrung nach Erddampf und hatte Erfolg. DaraufhinsiedeltesichimmermehrchemischeIndustriean.Larderel wurde1837derTiteleinesGrafenvonMontecerboliverliehen.1846 verlieh man sogar einer von ihm errichteten Fabrik mit der zugehörigen Arbeitersiedlung den Namen Larderello. Ein Nachfahre Larderels, der Prinz Piero Ginori Conti nahm dort 1913 das erste Erdwärme-Kraftwerk der Welt in Betrieb. Die Leistung: 220 Kilowatt. Bis 1930 wurde das Kraftwerk mehrfach verbessert und lieferte schließlich Erdwärme von zwölf Megawatt. Larderello-Strom wurde nachVolterra,Siena,LivornoundFlorenzübertragen.Heutespeistin dieser Gegend 245°C heißer, meist in etwa 1000 Meter Tiefe erbohrter Dampf mehrere Kraftwerksblöcke mit 390 Megawatt Gesamtleistung. Außerdem werden in Larderello Wohnungen, gewerblicheRäumeundTreibhäusermitErddampfbeheizt. WIEMANDIEWÄRMEAUSDERERDEHOLT G ewinnung der Wärme Die Erdwärme kann entweder direktzuHeizzweckenoderzurStromerzeugunggenutzt werden. In beiden Fällen muss dafür zunächst die Wärme aus der Erde “gewonnen” werden. Wie man auf dieseWärmezugreifenkannundwieleichtdasist,hängtvonderArt der Lagerstätte ab. Der einfachste Fall sind die in vulkanischen Gegenden vorkommenden natürlich austretenden Heißwasser- und Dampfvorkommen. In Aquiferen vorliegende Heiß- oder Warmwasservorkommen müssen künstlich angebohrt werden. Die Bohrungen müssen zwischen 500 Metern und drei Kilometern tief sein. Alle Wärme, die man in Form von Wasser oder Wasserdampf gewinnt, fasst man unter dem Begriff hydrothermaler Geothermie zusammen. Die Energie des heißen, trockenen Gesteins in der Tiefe ist nicht so einfach zu erschließen wie hydrothermale Energie, da man ein Medium benötigt, um die Wärme aus der Erde zu transportieren. Dafür steht sie aber an jedem Ort der Erde zur Verfügung. Durch die Entwicklung des Hot-Dry-Rock-Verfahrens ist manaufdemWegedieseEnergiequellenutzbarzumachen. Das Verfahrensprinzip klingt einfach. Das in der Tiefe vorhandene heiße Gestein wird durch Bohrungen erschlossen. Durch Wasserdruck wird zwischen den Bohrungen im Gestein ein künstlicher Riss erzeugt oder vorhandene Fließwege weiter aufgebrochen. Die so erzeugten nur wenige Millimeter dicken Rissflächen dienen als unterirdische Wärmeaustauscher. Bei einem Durchmesser von 250 bis 300 Metern ergibt das gerissene Gestein eine GeothermischerBohrturm© DOE Überträgerfläche von 30.000 bis 70.000 Quadratmetern. Kaltes Wasser wird in den Riss gepumpt, erhitzt sich dort und wird wieder nach oben geführt. Dort wird seine Wärme auf eine Kühlflüssigkeit übertragen und direkt zur Wärmeerzeugung oder zur Betreibung eines Kraftwerkes genutzt. Das abgekühlte Wasser wird wieder in den Boden gepumpt. In Soultz-sous-Forêts im Elsass beschäftigt sich ein Projekt mit der Entwicklung der Hot-Dry-Rock-Technologie, sodass die Energie des heißen Gesteins in Zukunft zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Schließlich kann auch das Erdreich als Wärmequelle dienen, man nennt dies oberflächennahe Geothermie. In ein bis zwei Metern Bodentiefe sinken die Temperaturen auch im Wintergewöhnlichnichtunter5°C.Diese“Wärme”kannmitHilfevon Wärmepumpen zur Heizung von Räumen verwendet werden. Im Sommer kann sie zur Kühlung dienen. Dieses Prinzip wurde in vereinfachter Form schon lange beim Bau von Erdhäusern und der LagerungvonLebensmittelnimkühlenKellerangewendet. AUSDAMPFENERGIEMACHEN E nergiegewinnung in Erdwärme-Kraftwerken Bei der Umwandlung der Erdwärme in Energie sind je nach Temperatur der erschlossenen Wärmequelle verschiedene Technikennotwendig. “DrySteam”Verfahren Bei der Nutzung von Dampfvorkommen kann der Wasserdampf direktdieTurbinendesDampfkraftwerkesantreiben.DadieDrücke und Temperaturen niedriger sind als bei konventionellen Dampfkraftwerken,sindspezielleTurbinennotwendig,derenKosten höher, deren Wirkungsgrade aber geringer sind. Bisher gibt es nur drei Stellen, an denen Stromerzeugung aus Heißdampfreservoirs stattfindet: Larderello/Italien, Matsukawa/Japan. “Flashsteam”Verfahren “The Geysers”/USA und Wird bei Heißwasser-Reservoirs mit Temperaturen über 100°C der Druckerniedrigt,sowirdeinTeildesüberhitztenWassersgasförmig. Der Wasserdampf wird abgetrennt und zur Stromerzeugung in Dampfkraftwerkenverwendet.DieserProzessderDruckerniedrigung mit darauf folgender Dampffreisetzung wird zwei- oder mehrfach wiederholt (“double” oder “multi-flashing”-Methode), um möglichst hohe Wirkungsgrade zu erzielen. In fast allen bestehenden Anlagen wird nur der abgetrennte Dampf und nicht das Heißwasser zur Stromerzeugung verwendet. Mit Hilfe des “Binary cycle” Verfahrens kannesebenfallsgenutztwerden. “Binarycycle”Verfahren Wenn die Temperatur des Wassers nicht hoch genug ist, um Dampfturbinen direkt anzutreiben, werden Wärmetauscher verwendet. Dort wird die Wärme des Wassers auf Substanzen übertragen, die bei niedrigeren Temperaturen sieden und sich leichter verflüchtigen als Wasser, beispielsweise Frigen/Freon (Fluorchlorkohlenwasserstoffe mit Siedepunkten zwischen 50°C und -40°C) oder Isobutan (Kohlenwasserstoff, Siedepunkt -11,7°C). Das entstehende Gas kann nun eine Dampfturbine antreiben, sodass manschonbeieinerReservoir-Temperaturvon80°CStromerzeugen kann.DerWirkungsgradistmiteinProzentallerdingssehrgering. WARMESWASSER-NICHTNURFÜRDIEHEIZUNG D irekteNutzungderhydrothermalenEnergieHäufigdenkt manbeiderdirektenNutzungvonwarmemWassernur an die Raumheizung. In Reykjavik/Island werden 90 Prozent der Häuser auf diese Weise beheizt. Dies ist jedochnureinemöglicheVerwendung.FürdieNutzungvonwarmem WassergibtesvielfältigeMöglichkeiten:dieWarmwasserbereitungin Schwimmbädern, die Enteisung von Straßen, der Einsatz in der Pilzoder Fischzucht oder bei biologischen Zerlegungs- und Gärungsprozessen, die Trocknung von Zementplatten … Bei der direkten Nutzung von Erdwärme holt gewöhnlich nicht jeder Verbraucher sein eigenes heißes Wasser aus dem Untergrund, sondern an zentraler Stelle wird zur Versorgung größerer Siedlungen, ganzer Städte oder Industriegebieten in einer geothermischen Heizzentrale das Thermalwasser gefördert und verteilt. Da das Wasser in den wasserführenden Schichten, den Aquiferen, häufig stark mineralisiert ist und um zu verhindern, dass derSpeichernachundnachleergepumptwird,funktionierensolche AnlagenimDublettenbetrieb. Das bedeutet, dass heißes Wasser über eine Produktionsbohrung an die Oberfläche gebracht wird und dort den wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie über einen Wärmetauscher an einen zweiten, den “sekundären” Heiznetzkreislauf abgibt. BlaueLagune,Island©USDepartmentof Energy Abgekühlt wird es über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund gepresst. In Altheim/ Österreich wurde im Jahre 1989 mit der Errichtung einer hydrothermalen Geothermie-Fernwärmeversorgung begonnen. Aus einer 2300 Meter tiefen Bohrung strömt durch artesischen Druck 104 °C heißes Wasser zutage, das über Wärmetauscher die Heizungen und Warmwasseraufbereitungsanlagen von über 650 Kunden mit Wärme versorgt. Die Anschlussleistung der Anlage liegt zurZeitbei10.000Kilowatt.DamitkönnenproJahrca.2500Tonnen fossile Brennstoffe eingespart werden; die Kohlenstoffdioxidemissionen reduzieren sich um über 70 Prozent. DafürerhieltdieGemeindeeinenKlimaschutzpreisvonGreenpeace. AUCH“KÄLTE”KANNZUWÄRMEWERDEN N utzung der oberflächennahen Geothermie Obwohl die Bodentemperaturen im oberflächennahen Bereich in Deutschland nur zwischen sieben und elf Grad Celsius liegen, kann auch diese “Wärme” zur Bereitstellung von WärmeenergieundKlimakälteverwendetwerden.Mannenntdieses Verfahren oberflächenthermale Geothermie. Im Gegensatz zur Nutzung von warmen oder heißen Wässern aus dem tiefen Untergrund wird Wärme aus dem flacheren Untergrund dabei gewöhnlichnurmitHilfevonWärmepumpengenutzt.Meistwirddie Wärme aus dem Boden zunächst auf Wasser oder Sole - gefrierfest gemachtesWasser-übertragen.MitderSolewirdanschließendeine Wärmepumpe mit Wärme beliefert. Die meisten Wärmepumpe arbeitennachdemKompressorprinzip.DabeiwirddemVerdampfer, einem Wärmetauscher, Wärme in Form der Sole mit einer Temperaturvonetwa10°Czugeführt.Diesegenügt,umeineniedrig siedende Flüssigkeit - das Kälte- oder Arbeitsmittel (beispielsweise Ammoniak) - zu verdampfen. Der Dampf hat dabei die Wärmeenergie des Wassers aufgenommen. In einem Kompressor wird der Dampf vedichtet, wodurch sich dieser auf bis zu 80°C erhitzt. Nun gelangt der heiße Dampf in einen weiteren Wärmetauscher, den Kondensator. Hier verflüssigt sich der Dampf durch den hohen Druck und gibt Kondensationswärme ab, die auf den Wärmeträger der Heizung übertragen wird und so beispielsweiseeinHausheizenkann.DasverflüssigteKältemittelder Wärmepumpe dehnt sich beim Austritt aus einem Entspannungsventilausundkühltdabeiab.Anschließendgelangtes wieder in den Verdampfer, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, um die im UntergrundvorhandeneWärmezurWärmepumpezubefördern.Die wichtigstensind: Erdwärmekollektoren Erdwärmekollektoren werden normalerweise horizontal in 80 bis 160ZentimeterTiefeverlegt.EshandeltsichdabeiumRohre,dievon Sole durchflossen werden. Sie nehmen die Umgebungswärme des Bodens auf, unterliegen aber auch den an der Oberfläche herrschenden Witterungseinflüssen. Bei Kopplung an einen ErdwärmekollektorwirdeineErdwärmepumpedaherimWinter-zur Zeit des höchsten Wärmebedarfs - mit besonders wenig Wärme beliefert. Bei horizontal verlegten Erdwärmekollektoren beträgt der Flächenbedarf das ein- bis anderthalbfache der zu beheizenden Wohnfläche.DazukanndereinHausumgebendeGartendienen.Ist diese Fläche für die Beheizung nicht ausreichend, können die KollektorenauchvertikalalsErdwärmesondenverlegtwerden. Erdwärmesonden(EWS) ZurVerlegungvonErdwärmesonden(EWS)werdenbiszu150Meter tiefe Löcher in das Erdreich gebohrt, in die dann die Rohre mit der Sole gelegt werden. Die Verlegung der Erdsonden ist teurer als die horizontal verlegten Erdkollektoren, außerdem ist ein wasserrechtliche Genehmigung von den Behörden einzuholen. Betonbauteile,dieinKontaktmitdemBodenreichstehen,lassensich nicht nur als tragendes oder architektonisches Element einsetzen, sondern auch zu Heiz- und Kühlsystemen weiterentwickeln. Als Schlagwort für diese Technologie hat sich der Begriff “Energiepfahl” durchgesetzt. Grundsätzlich können in alle erdberührenden Betonflächen Wärmetauscher eingebaut werden. Sie übertragen die Wärme des Bodens auf eine Wärmeträgerflüssigkeit und damit ins Innere des Gebäudes. Der Einbau der Wärmetauscher kann nur im Rahmen der Errichtung des Bauwerks selbst erfolgen, eine Nachrüstung bereits vorhandener Betonflächen ist daher nicht möglich. Zwei der weltweit größten Projekte dieser Art sind die Anlage der Etikettierfabrik Pago im schweizerischen Grabs und das KunsthausinBregenz.DieWärme,diemiteinerdieserTechnikenaus dem Boden gewonnen wurde, wird anschließend auf eine Wärmepumpe übertragen und kann dann zur Klimatisierung von Gebäudengenutztwerden. KÜHLODERWARMMITGEOTHERMIE W eitere Nutzungsmöglichkeit der oberflächennahen Geothermie KühlenundKlimakälte DierelativniedrigenTemperaturendesUntergrundes machen ihn auch für die Bereitstellung von Klimakälte interessant. SiekannüberErdwärmesondenoderEnergiepfähledirekt,alsoohne EinschaltungeinerWärmepumpe,indenzukühlendenRaumgeleitet werden. Dabei wird die in der Heizanlage zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit genutzt und mit Pumpen im Gebäude umgewälzt. Der Energieaufwand beschränkt sich auf den Stromverbrauch eben dieser Pumpen. Mit einer Kilowattstunde elektrischer Energie können so bis zu 100 Kilowattstunden thermischerEnergiebereitgestelltwerden.DerNeubaudesprivaten Umweltlabors UEG GmbH in Wetzlar wird seit 1992 mit Hilfe von oberflächennaher Geothermie geheizt und gekühlt. Sie besteht aus acht Erdwärmesonden, einer Wärmepumpe mit 47 Kilowatt HeizleistungunddirekterKühlungausdenSonden.VonJuli1995bis Juli 1996 konnten durch diese Anlage die KohlenstoffdioxidEmissionen gegenüber einer theoretischen Vergleichsanlage um bis zu56Prozentvermindertwerden. Wärme-Kältespeicherung Im Sommer liefert uns das gemäßigte Klima ein Überangebot an Wärme, im Winter müssen wir heizen, da uns zu kalt ist. Durch Geothermie kann die Sommerwärme im Winter, die Winterkälte im Sommer genutzt werden. Unter dem Reichstagsgebäude und den umliegenden Parlamentsbauten im Spreebogen in Berlin befinden sichzweiAquifer-Speicher,mitderenHilfedieProduktionvonStrom, Wärme und Kälte gekoppelt werden kann. Blockheizkraftwerke versorgendieHochtemperaturversorgung(110°C)derGebäude.Die Abwärme geht in den einen Aquifer-Speicher, wo die Wärme gespeichert wird und im Winter zur Versorgung eines Niedertemperaturheiznetzesdient.DerzweiteAquifer-Speicherdient hauptsächlich der Kühlung des Gebäudes. Die Auskühlung des Aquifer-Speichers geschieht im Winter aufgrund der Umgebungskälte sowie der “Abfallkühle” der Wärmepumpe. Im Straßenbelag einer Brücke am Thunersee in der Schweiz sind Kunststoffrohre verlegt, in denen sich Sole, gefriersicher gemachtes Wasser, befindet. Dieses heizt sich im Sommer bis zu 60°C auf. Die WärmederSolewirdüber91Erdwärmesonden,dieinderNäheder Straße nahe beieinander je 65 Meter tief in den Felsen versenkt wurden, auf den Fels übertragen. Dieser erwärmt sich um mehrere Grad. Im Winter transportiert die Sole die gespeicherte Wärme aus demFelsenzumBrückenbelagzurückundhältihneisfrei. MITGEOTHERMIEINDIEZUKUNFT? E nergiebedarf - Energieressourcen 1998 betrug der WeltPrimärenergiebedarf ungefähr 13 Milliarden Tonnen SKE (=Steinkohleneinheiten, Heizwert von einer Tonne Steinkohle). Erdöl hatte daran mit rund 40 Prozent den größtenAnteil,gefolgtvonKohlemitetwa25ProzentundErdgasmit über 21 Prozent. Zusammen decken diese fossilen Brennstoffe nahezu 90 Prozent des Gesamtbedarfs. Immerhin rund sieben Prozent der weltweit verbrauchten Energie wird dagegen in Atomkraftwerken produziert. Die Prognosen über den zukünftigen Welt-Energiebedarfgehenweitauseinander.Angesichtsdesraschen Bevölkerungswachstums und der fortschreitenden Industrialisierung der Entwicklungsländer ist mit großer Wahrscheinlichkeit anzunehmen,dassersichbiszumJahre2025ungefährverdoppeln wird.DieheutegesichertenfossilenEnergievorräteanErdöl,Erdgas undKohlereichenjedochnurnochJahrzehnte.Außerdemhabensie den Nachteil, dass bei ihrer Verbrennung zahlreiche Schadstoffe freigesetzt werden, die Hauptursache für Umweltschäden sind. Das Verbrennungsprodukt Kohlenstoffdioxid trägt zudem zum Treibhauseffekt bei und könnte damit langfristig Klimaveränderungenverursachen.AuchdieKernenergieistaufgrund der mit ihr verbundenen Risiken und der problematischen Entsorgung von radioaktiven Abfällen sehr umstritten. In vielen Ländern gehen daher die Bestrebungen dahin, langfristig aus der Atomkraft auszusteigen. Als Ersatz für die damit verloren gehenden Energiequellen bieten sich langfristig die regenerativen Energien an. Sonnenenergie, Wasserkraft, Windenergie, Biomasse und Erdwärme sind Energiequellen, die sich laufend ergänzen. Die Erdwärme vermindert sich zwar insgesamt langsam, an menschlichen Zeiträumen gemessen gilt sie jedoch trotzdem als “unerschöpflich”. Bisher liegt der Anteil der regenerativen Energien an der Energieversorgungweltweitallerdingsnurbeietwa2,6Prozent. MEHRALSGENUG W eltweites Potential der Geothermie Über das theoretischePotentialderGeothermiekönnenjenach zugrunde gelegten Annahmen sehr unterschiedlich Werte angegeben werden. Betrachtet man den ständigen Erdwärmestrom vom Erdinneren zur Erdoberfläche, so liefert er allein auf der Landfläche ein Potential von weltweit 10 MilliardenTonnenSKE(=Steinkohleneinheiten)proJahr.Einerheblich höheresEnergiepotentialbietetallerdingsderWärmeinhaltderErde. Würde in einer Zone zwischen vier und sechs Kilometer Tiefe soviel Wärme entzogen, dass sich das Gestein auf 130°C abkühlt, könnte weltweitinsgesamteineEnergievon610.000MilliardenTonnenSKE (6,1´ 1014 Tonnen SKE) freigesetzt werden. Auf 30 Jahre verteilt würde dies eine jährliche Energiemenge von 20.000 Milliarden Tonnen SKE bedeuten. Bisher konzentriert sich die Nutzung geothermischer Energie jedoch auf die Gebiete mit geothermischen Anomalien, in denen besonders günstige Bedingungen vorliegen. HierbestehtweltweiteinEnergiepotentialvon550MilliardenTonnen SKE. Im Vergleich zum Bedarf an Energie ist das Potential der Geothermie also riesig. Es fehlt nicht an Energie, sondern an der TechnologiezuderenNutzung.ImVergleichzumWeltleistungsbedarf von 1013 Watt ( = 10 Millionen Megawatt) liefert die Geothermie davon bisher nur den minimalen Anteil von 0,06 Prozent der notwendigenEnergie,d.h.siespieltheutenureinebegrenzte,wenn auch lokal wichtige Rolle. Die drei größten geothermischen KraftwerkesteheninTheGeysers(USA,700MW),Lardarello(Italien, 400MW)undWairakei(Neuseeland,300MW).Insgesamtgibtesweit über200KraftwerkemiteinerinstalliertenLeistungvonüber6000 MW. Die Leistung aller geothermischen Heizwerke ist mit weltweit etwa 15 000 MW noch größer, im Vergleich zum Potential dieser Energiequellejedochebenfallsverschwindendgering. GEOTHERMIE-AUCHBEIUNS? G eothermische Energie in Deutschland Das Angebot an geothermischerEnergieistinDeutschlandaufgrundnur weniger geothermischer Anomalien bisher gering. Die vorhandenen Anomalien liegen vor allem im OberrheingrabenbeiWiesbadenundLandau,wosichin1000Meter Tiefe 100°C heißes Wasser befindet, und im Uracher Vulkangebiet südlichvonStuttgart.WeiterebekannteHeißwasservorkommensind im Bereich des bayerischen Molassebeckens mit Temperaturen von 56°C, in der Eifel beispielsweise im Raum Aachen (70°C) und in Norddeutschland zu finden. Bisher gibt es in Deutschland keine geothermischen Kraftwerke. Die Erdwärme wird nur für die direkte Nutzung in Geoheizwerken und für Thermalbäder in Kombination mit Gebäudeheizung verwendet. Insgesamt existieren 24 größere Anlagen mit Leistungen zwischen 100 Kilowatt und 20 Megawatt thermischer Energie. Die Gesamtleistung aller Geoheizwerke Deutschlands liegt bei 50 Megawatt. Der Energiebedarf in Deutschland liegt bei 500 Millionen Tonnen SKE im Jahr. Der Erdwärmefluss über die Oberfläche Deutschlands beträgt nur etwa 24 Millionen Tonnen SKE im Jahr, das Energiepotential der thermischen Anomalien im Oberrheingraben beträgt 12 Millionen Tonnen SKE. Erst wenn mit Hilfe des Hot-Dry-Rock-Verfahrens das Energiepotential des heißen Gesteins im Untergrund von rund 19 Milliarden Tonnen SKE ausgeschöpft werden kann, könnte eine Energieproduktion in der Größenordnung des Energiebedarfes erreicht werden. Vor allem in Deutschland ist das Energiepotential der einfacher nutzbaren thermischen Anomalien zu gering und dahernurregionalvonBedeutung. GEOTHERMIE-DIEUMWELTFREUNDLICHEENERGIE? W ie nachhaltig sind geothermische Kraftwerke? Die Nutzung der Erdwärme setzt im Gegensatz zu den fossilen Brennstoffen Erdöl, Erdgas und Kohle kein Kohlenstoffdioxid frei und trägt damit nicht zum Treibhauseffekt bei. Im Vergleich zur Kernenergie ist sie auch eine weit risikolosere Technik und produziert keine schwer zu entsorgenden Abfallprodukte. Dennoch ist die Umweltfreundlichkeit nichtsohochwieoftangenommen. InfolgedesgeringenEnergie-Wirkungsgrades(15Prozent)istdiebei der Stromerzeugung entstehende Abwärme zwei- bis dreimal höher als bei konventionellen Kraftwerken. Dies könnte dauerhaft Folgen für das Mikroklima haben. Mit dem geförderten Dampf oder dem Heiß-undWarmwasserwerdengiftige,korrosiveundübelriechende Stoffe (Schwefel, Bor, Salze) aus dem Gestein gelöst, die sich zum einen auf der Turbine ablagern und ihren Verschleiß fördern, zum anderendieUmweltbelastenkönnen.Umletztereszuvermeiden,ist beistarkverunreinigtemWasserdieReinjektiondesAbfallwassersin das Gestein notwendig. Während sich die entstehenden Abgase Wasserstoff und Methan mit der Luft verbrennen lassen, bereiten nichtkondensierbare-nichtverflüssigbare-Gasewiebeispielsweise Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3) im Kondensator Schwierigkeiten und werden deshalb ungefiltert in die Atmosphäre abgeblasen. Die freigesetzten Schwefelmengen des geothermischen Stromkraftwerkes “The Geysers” sind beispielsweise vergleichbar mit denen eines konventionellen Kraftwerkes. Bei GeothermischesKraftwerk© Anlagen, in denen das aus dem Boden DOE geförderteHeiß-oderWarmwassernicht ersetzt wird, entstehen Hohlräume, die einstürzen und zu einer Landabsetzungführenkönnen.InWairakei(Neuseeland)hatsichder BodendadurchumvierMetergesenkt.ÜberdieseismischenEffekte ist man sich nicht im Klaren. Einige Experten vermuten örtlich begrenzteBebenalsFolge,andereerwartendasGegenteil:durchdie ReinjezierungdesAbfallwasserswerdenkritischeStellen“geschmiert” und Beben so verhindert. Schließlich ist der Flächenbedarf geothermischer Anlagen erheblich. Im geothermischen Kraftwerk “The Geysers” sind über 100 Bohrungen auf 30 Quadratkilometern Fläche verteilt. Außerdem erzeugt die Bohrung wie auch der austretendeDampfeinenerheblichenLärm. KEINEFÖRDERMITTELFÜRNEUEFORSCHUNGSPROJEKTE S parpolitik der Bundesregierung Geeste - In einem SchreibenandieGeothermischeVereinigungvom25.10.99 teilte der zuständige Referatsleiter MinR Geipel im Auftrag von Bundeswirtschaftsminister Müller mit, dass “zu den wenigen im Haushaltsentwurf 2000 noch förderbaren Projekten im Bereich Energieforschung/Umwandlungstechniken” das europäische Hot-Dry-Rock-Projekt gehört. “Doch leider”, so Geipel weiter in seinem Schreiben, “können neue Forschungsprojekte zur hydrothermalenGeothermiebisaufweiteresindiesemBereichnicht mehrgefördertwerden.”BegründetwurdedieseMaßnahmemitder Sparpolitik der Bundesregierung die auch “in vielen anderen sensiblen Bereichen” zu drastischen Einschränkungen geführt hatte. Geipel ergänzte aber: “In Anbetracht dessen suchen Bundestag und BMWi weiterhin im Rahen der parlamentarischen Beratung des Haushaltsentwurfs 2000 nach Wegen, die Energieforschung wieder besserauszustatten.ZumindestabdemJahr2001rechnetdasBMWi mit zusätzlichen Mitteln auch für diesen Förderbereich.” Geipel verwies darauf, dass die Geothermie in das Stromeinspeisegesetz aufgenommenwerdensollundaufdasneueMarktanreizprogramm desBundes,indem“jetztauchMittelfürdieErrichtungvonAnlagen der hydrothermalen Geothermie zur Verfügung stehen,” schränkte jedoch gleich ein, dass Forschungsprojekte daraus nicht gefördert werden könnten. Der Forschungspolitische Sprecher der Bundestagsfraktion von Bündnis 90/Die Grünen, Hans-Josef Fell kommentierte“DasProblemistbekannt.WirwerdendenSachverhalt nicht akzeptieren. Derzeit arbeiten wir daran, die Blockade-Situation im Ministerium aufzuweichen. Dazu stehen in den nächsten Tagen weitere Gespräche an.” Der Vorsitzende der Geothermischen Vereinigung, Helmut Tenzer zeigte sich wegen der schlechten Nachrichten aus dem BMWi nicht gerade überrascht. “Was die Geothermie betrifft hören wir Ähnliches seit Jahren. Das ist wohl unabhängigdavon,wergeraderegiert.TrotzdemsinddieGründein diesem Fall kaum nachvollziehbar, da der Forschungshaushalt insgesamtangehobenwerdensoll.”ErstimmteFellzu,derkürzlichin einem Interview gegenüber der Zeitschrift “Geothermische Energie” geäußert hatte, dass die Verlagerung der Energieforschung vom Forschungs- in das Wirtschaftsministerium wohl ein Fehler gewesen sei. Ausdrücklich begrüßte Tenzer, dass seitens der Regierungsfraktionen, insbesondere von Bündnis 90/Die Grünen versucht werde, den unerfreulichen Zustand, in den die Energieforschung im Bereich der erneuerbaren Energien dadurch insgesamt geraten sei, zum Besseren zu wenden. (Quelle: Informationsdienst Wissenschaft (idw), Geothermische Vereinigung e.V.27.10.1999) 04|Impressum scinexx.de-DasWissensmagazin MMCDNEWMEDIAGmbH Elisabethstraße42 40217Düsseldorf Tel.0211-94217222 Fax03212-1262505 www.mmcd.de [email protected] Geschäftsführer:HaraldFrater,[email protected] Chefredakteurin:NadjaPodbregar,[email protected] Handelsregister: Düsseldorf,HRB56568;USt.-ID.:DE254927844; FinanzamtDüsseldorf-Mitte Konzeption/Programmierung YOUPUBLISHGmbH Werastrasse84 70190Stuttgart M:info(at)you-publish.com Geschäftsführer:AndreasDollmayer ©2016byKonradinMedienGmbH,Leinfelden-Echterdingen
