Erdwärme - eine spät erkannte Chance!

Aus ökologischen Gründen, aber auch wegen der Begrenztheit der Vorräte an fossilen und atomaren Energieträgern, ist die Menschheit gezwungen sich auf neue, nachhaltig nutzbare Energiequellen umzustellen.

In aller Munde war schon in den 70er Jahren die Sonnenenergie, als "die" alternative Möglichkeit der Energieversorgung. Mit der Entwicklung der Raumfahrt wurden beispielsweise Solarzellen allgemein bekannt. Aber auch die Warmwasserbereitung mit Sonnenwärme wurde seit dem zunehmend populär und ist heute in Europa weit verbreitet. Dies geschah, was die Warmwassergewinnung betrifft, man beachte, ohne den Einstieg der Großindustrie - fast gänzlich über Mittelstand - und über Kleinbetriebe. Die Stromerzeugung über Solarzellen ist jedoch immer noch sehr teuer und erfordert massive Subventionen des Staates (Energieeinspeisungsgesetz).

Solarstrom wird - trotz dieser Förderung - in nächster Zeit aber keinen wesentlichen Beitrag zur Stromversorgung leisten können. Sehr viel Geld in Solarstromerzeugung zu investieren erscheint mir ökonomisch und ökologisch wenig sinnvoll, da zu teuer. Andere Methoden, wie Windenergie, Biogas- und Erdwärmenutzung sind hier offensichtlich effektiver. Denn vor allem die Klimarisiken verlangen schnell ein "effektives" Umsteigen in neue umweltgerechte Technologien! Die Sonne war und ist der wesentliche Energiespender des Lebens auf der Erde und sie wird es auch bleiben. Vor allem deshalb, weil die gesamte Biosphäre sie ständig nutzt.

Der Energiebedarf der Industrieländer ist jedoch gigantisch und entwickelt sich zu einem Engpass für die Zukunft der Menschheit.
Heute ist klar, dass in den gemäßigten Zonen, die Sonne zwar einen wichtigen Anteil in der zukünftigen Energieversorgung haben wird (wohl eher nicht beim Strom), andere nachhaltig nutzbare Energieträger mit ökologischer Qualität dazu kommen müssen.

Die Zukunft der Energieversorgung:

Um gefährliche wirtschaftliche und ökologische Engpässe zu vermeiden, ist die rasche Entwicklung und der Ausbau alternativer Energien zu einer wichtigen Aufgabe geworden.

Erdwärme, Fachleute benutzen den Begriff Geothermie dafür, kann, neben des Einsatzes von Biogas, Windenergie und Wasserstofftechnik, ein großes Standbein der zukünftigen Energieversorgung sein.

Denn: Die Geothermie gilt inzwischen als eine in "kosmischen Dimensionen" zur Verfügung stehende Energiequelle, von hervorragender ökologischer Qualität.

Was ist Erdwärme (Geothermie) und was sollten wir über das Erdinnere wissen?

Die Erde ist ein heißer Planet und mit wunderlichen und wunderbaren Eigenschaften.
Zwei kosmische Energiequellen ermöglichten hier über lange Zeiträume relativ ausgeglichene Temperaturverhältnisse und damit das Aufblühen einer phantastischen Biosphäre: Es sind die Sonne und das Erdinnere.

Wie allgemein bekannt ist das Innere der Erde sehr heiß.
Genauer betrachtet, nimmt die Temperatur in der erkalteten Erdkruste im Durchschnitt um 3° Celsius pro 100 m Tiefe zu. ( das ist die geothermische Konstante in Mitteleuropa ) Unter der durchschnittlich 30 km starken Kruste liegt der dickflüssige Erdmantel. (Silikatgestein) Er macht ca. 82% des Erdvolumens aus und ist ungefähr 2000 °Celsius heiß. Im tiefen Zentrum unseres Planeten befindet sich der fest bis zähflüssige Erdkern, der aus Eisen und Nickel besteht und vermutlich um die 6000°C heiß ist. Dieser Erdkern ist auch dafür verantwortlich, dass unsere Erde ein Magnetfeld hat. Dessen nützliche Eigenschaften sind nicht nur für die Kompassbenutzer wichtig, sondern für alle Lebewesen.
Denn das Magnetfeld reicht weit in den Weltraum hinaus und hält wesentliche Anteile an gefährlicher Teilchen-Strahlung des Sonnenwindes von uns fern. (Nebenthema: Nordlichter)

Der Geodynamo: Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes aus der komplexen Rotation des Erdkernes.
Beobachtet wird heute die Wanderung des magnetischen Feldes und vermutet wird ein allmählicher Umpolungsvorgang. Was dann, für die etwas fernere Zukunft, eine schwere Bedrohung für alles Leben darstellt.

Eigentlich, so berechneten Astronomen und Geophysiker müsste die Erde längst ausgekühlt sein. Warum das nicht so ist, verstanden die Wissenschaftler erst in den letzten Jahrzehnten. Ein nicht unbedeutender Anteil radioaktiver Elemente in der Erdkruste zerfällt stetig und gibt dabei Wärme ab. So ist der Abkühlungsprozess extrem verlangsamt und wir leben auch heute noch auf einem heißen Planeten. 99% des Erdballs sind immer noch über 1000° heiß!

Der Boden unter unsere Füßen ist nur die kalte Haut der Erde. Aber allein schon die ersten 3 km der erkalteten Erdkruste enthalten Energie für ca. 100 000 Jahre! Das geothermische Potential unseres Planeten ist von wirklich kosmischen Dimensionen.

Die Erde gibt etwa die vierfache Menge des derzeitigen Gesamtenergieverbrauchs an Energie in den Weltraum ungenutzt ab ! (Betrag pro qm: 0,06 Watt) Wir können und sollten diese Energie zuvor erst gebrauchen!

Was wir alle wissen sollten:

das Tennisball-Modell:
Wäre die Erde ein Tennisball (Durchmesser ca. 7cm) dann hätte die erkaltete Erdkruste gerade mal die Stärke der Haut eines Luftballons nämlich 0,20 mm!
Reale Größen: Erddurchmesser ca. 12 600 km Erdkrustendicke: ca. 30 km
Mehr als 99 % des Erdballs sind über 1000° heiß!
Wir leben auf einem heißen Planeten!
 
 
 
 
 
 
 Vulkan "Popocatepetl" (Mexico)

Möglichkeiten der Erdwärmenutzung (Geothermie):

Hier die wichtigsten:

1). Möglichkeit: Man entzieht per Wärmetauscher (mit Flüssigkeit gefülltes Rohrsystem) dem Untergrund die Wärme und speist sie in ein Heizungssystem ein.

2). Möglichkeit: Man setzt nach dem Wärmetauscher noch eine Wärmepumpe ein, um eine höhere Temperatur zu erreichen. In der Praxis: meist bei kleineren Projekten wie Erdwärmesonden-Heizung für einzelne Gebäude. Diese nutzen in der Regel eine Temperatur von ca. 12-14° in Tiefen von 50 bis 150 Metern.

3). Möglichkeit: die Stromerzeugung mittels Dampfturbine. Bei entsprechend hohen Temperaturen (über 150°C) entsteht nutzbarer Wasserdampf mit hohem Druck, der eine Turbine antreiben kann. Dieses Verfahren wird in Island und in Italien unter Ausnutzung sehr heißer Quellen schon länger praktiziert. Turbinen sind auch bei sogenannten Hot-Dry-Rock-Systemen zur Stromerzeugung vorgesehen, die poröses heißes Gestein in größeren Tiefen zur Dampferzeugung nutzen.
Die Stromerzeugung per Turbine wird in Kürze eine größere Verbreitung erfahren. Denn in dem man eine Turbine nicht mit Wasserdampf betreibt, sondern Flüssigkeiten einsetzt die einen sehr niedrigen Siedepunkt haben, wird ihr Einsatz sogar schon bei Temperaturen unter 100°C möglich.
Die Fachleute sprechen hier von ORC-Turbinen (ORC = Organic Rankine Cycle) Praktiziert wird das u.a. schon mit Ammonniak-Wasser-Gemischen. Hier sollen schon Temperaturen von 70° C zur Stromerzeugung ausreichen.

 
Geothermisches E-Werk
in Carboli (Italien)
Prinzip: Wasserdampfturbine

Hydrothermale Geothermie:

Hier nutzt man das in der Erdkruste vorgefundene heiße oder warme Wasser, meist über Wärmetauscher und Wärmepumpen. Bei sehr tiefen Wasserfundstellen wird dieses Wasser meist fast gänzlich wieder in die Tiefe zurückgepumpt.
Dies geschieht hauptsächlich aus zwei Gründen:
  a) die Stabilität der Gesteinsschichten soll erhalten bleiben.
  b) dieses mit vielen Mineralien angereicherte Wasser ist ein kostbarer Schatz, für den es häufig noch keinen Markt gibt, da zur Zeit genügend Mineralwasserquellen erschlossen sind.

Freizeitattraktion: die Therme in Erding (ein geothermisch beheiztes Badevergnügen)

Übrigens: manche Gemeinde sollte sich überlegen ob ihr mit Öl - oder Gas betriebenes Hallenbad ökonomisch und ökologisch Zukunft sicher ist. Man beachte die geothermischen Möglichkeiten!
 
 

 
Island - das Geothermieland Nr.1
hier: das Svartsengi E-Werk mit Badesee "Blue Lagoon" Island erzeugt fast alle benötigte Heizwärme und den gesamten Strombedarf aus Erdwärme. Geplant: Export von Geo-Strom nach Schottland per Hochseekabel

Wirtschaftliche und ökologische Beurteilung der Geothermie:

Geothermie ist ein Geschenk, das wir nur annehmen müssen, denn sie sichert die Zukunftder Biosphäre und den Wohlstand der Menschen. Was früher die Ölquelle im Garten war, ist heute die Erdwärme!

Die Erdwärmensonden-Heizung ist für den "Häuslebauer" heute absolut empfehlenswert! Denn hier kann er zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Er ist nämlich ökologisch und ökonomisch auf der sicheren Seite. Obwohl die Investitions-Kosten für eine Erdwärmesonden-Heizung deutlich über den einer Erdgas oder Erdöl-Heizung liegen, sind die laufenden Folgekosten so niedrig, dass schon nach 5 bis 10 Jahren der Mehrbetrag wieder ausgeglichen wird. Da die Erdwärmensonden-Heizung mit einer strombetriebenen Wärmepumpe arbeitet, ist allein der ca. 20bis 25% Stromanteil an der Gesamtenergie ökologisch zu beurteilen. Vom genutzten Erdwärmeanteil gehen in diesem Rahmen, keinerlei schädliche Umwelteinflüsse aus. (CO2-Reduktion sicherlich über 50% gegenüber Heizöl) Übrigens ist eine Erdwärmesonden-Heizung deutlich den schon in den 80er Jahren bekannten Wärmepumpen-Heizungen überlegen, da sie auf ein Wärmeangebot von konstant 12-14° in ca. 80 m Tiefe zugeschnitten sind und nicht das kärgliche Angebot von jahreszeitlich schwankenden 2-5° in ca. 1 m Tiefe benützen. In Österreich und der Schweiz gibt es bereits mehr als 50 000 mit Erdwärmesonden beheizte Gebäude. Aber auch in Deutschland findet sie allmählich Verbreitung. Lassen Sie sich informieren ! (Bsp. im Landkreis Starnberg: neues Doppelhaus in Gauting-Buchendorf)

Das Leitungssystem im Haus
(hier mit Fußbodenheizung):

Das Wärmepumpenprinzip
(Die angegebene Umweltwärme kommt aus der Erde):

Der Kompressor sorgt für die Temperaturerhöhung (aus dem Boden kommen ja nur ca. 12-14°)

Sind geothermische Großprojekte auch wirtschaftlich?

Geothermische Großprojekte stellen heute meist noch eine Herausforderung dar. Da wir in die tieferen Erdschichten nicht hinein sehen, sind aufwendige Voruntersuchungen notwendig. Es treten allgemein größere geologische und technische Risiken auf. Aber auch die Finanzierung ist nicht immer einfach, obwohl sich hier einiges getan hat. Zum Beispiel werden nun Risikoversicherungen angeboten und Fördermittel des Staates und eventuell der EU stehen bereit.
Aber die Vorteile der Geothermie sind doch so bedeutend, dass immer mehr große Projekte angegangen werden und die wachsende Erfahrung der beteiligten Fachleute und Firmen führt zu ständig mehr Projektsicherheit. Und die gemachten Erfolge sprechen für sich! Man beachte hier die führende Rolle der Geothermischen Vereinigung! Bei größeren Geothermieprojekten, das kann man generell sagen, kommt es sehr auf die geologischen Potentiale und die Möglichkeiten der Vermarktung des geothermischen Angebotes an. Aber auch hier zeigt es sich, das Geothermie häufig jetzt schon mit Kohle und Heizöl konkurrieren kann, also neben ihrer ökologischen Qualität, durchaus wirtschaftlich ist. Zumal hier fast immer Fördermittel des Staates und der Europäischen Gemeinschaft zur Verfügung stehen.
Zahlreiche Projekte, wie die in Erding, Simbach am Inn, Straubing und demnächst in Unterschleißheim und Unterhaching beweisen das (hier mal nur auf Bayern bezogen). Auf Unterhaching wird man demnächst ganz besonders schauen, denn hier sollen neben ca. 16 MW Heizwärme auch 3 MW Strom erzeugt werden. (Stromerzeugung mittels ORC-Turbine)

Bohrarbeiten am Geothermieprojekt Simbach/Inn:

(inzwischen erfolgreich in Betrieb) Ein deutsch-österreichisches Projekt der Gemeinden Simbach und Braunau am Inn!

Prinzipdarstellung einer Hot-Dry-Rock-Anlage zur Stromerzeugung:

Hier wird Wasser in heißes poröses Gestein in großer Tiefe verpresst, das dann durch das Gestein aufsteigt und als Dampf eine Turbine antreibt. (Wie beispielsweise in Soultz-sous-Forets im Elsaß)

Hier noch ein paar Zahlen:

Erdwärmesondenheizung - Energieeinsparung
(W.Keil/Dipl Ing.Joh.Ruhland 2003)

Einsparungen / Heizenergiebedarf / Heizölbedarf - Datenlage

Heizölbedarf in traditioneller moderner Bauweise = ca. 9 -10 Liter/m² im Jahr (= 90-100KWh/a)
Niedrigenergiehaus = ca. 7 Liter/m² im Jahr
Massiv/Aktiv-Haus = ca. 3 Liter/m² im Jahr
Passiv-Haus = ca. 1,5 Liter/m² im Jahr
Altbau = ca. 15 -25 Liter/m² a

(10 kWh entsprechen 1 Liter Heizöl oder 1 m³ Heizgas)

1 Liter Heizöl erzeugt bei der Verbrennung durch Reaktion mit der Luft 2,7kg CO2!

Betrachtung:
Wie viel fossile Energie, oder auch nicht erneuerbare Energie (incl. Atomstrom) wird bei einem Haus mit Erdwärmesondenheizung eingespart?

Beispiel:
Ein modernes 150m² Haus mit einem Heizbedarf von 7 l/m² Heizöl im Jahr benötigt also insgesamt 1050 l Heizöl im Jahr, das sind ca. 10500kwh Heizenergiebedarf.

Da eine moderne Erdwärmesondenheizung eine Arbeitszahl von 4:1 besitzt bedeutet das, dass ¼ des Heizbedarfs als Strom für die Wärmepumpe zusätzlich benötigt werden. Das sind hier in diesem Fall ca. 2625 kwh. (Jahreskosten: bei 14c/kwh = 367,50 €) Nur dieser Stromanteil ist noch mit ökologischen Nachteilen behaftet. Nur hier kommen noch fossile Brennstoffe oder Kernenergie zum Einsatz.
Dazu:
In Bayern kommen etwas über 60% des Stromes aus der Kernenergie, ca.17% aus Wasserkraft, ca. 19 % aus fossiler Energie, ca. 4% von Wind und Sonne (Quelle: Bayr. Umweltministerium) Bei einem gegenwärtigen durchschnittlichen Wirkungsgrad von ca. 40% bei der Stromerzeugung kann man nun sehen, dass der Stromanteil durchaus als problematisch gelten könnte. Denn für 2625 kwh Strom braucht es einen Energieeinsatz in den Kraftwerken von ca. 6500 kwh.

Wirkungsgrade in der Stromerzeugung:
KKWs=ca.35%,     Wasserkraft ca.80%
Kohle: ca. 33%,     Gas ca.50%,
Photovoltaik ca. 10% Quelle: Bayr. Umweltministerium

Wenn in Bayern also 19% davon aus fossilen Energieträgern stammen, dann liegt der fossile Energieanteil hier beim Strom für die Wärmepumpe bei ca. 1235 kwh.

Das Beispiel-Haus mit einer Erdwärmesondenheizung spart also in Bayern 10500kwh minus 1235 kwh = 9265 kwh fossile Brennstoffe im Jahr ein, das sind ca. 930 l Heizöl.
Ergebnis: Bei einem Niedrigenergiehaus werden also ca. 6,2 l Heizöl pro m² im Jahr eingespart.

Wie sieht es aus unter dem Blickwinkel der Einsparung nicht erneuerbare Energien, also inclusive Atomstrom?

Der Anteil erneuerbarer Energien liegt in Bayern bei 21%. Das ergibt hier einen Anteil von nicht erneuerbaren Energien von 79%, das sind hier 5135kwh im Stromanteil.
Die Einsparung bei der Betrachtung nicht erneuerbarer Energien beträgt:
10500 minus 5135kwh = 5365 kwh im Jahr. (eingesparte Atomenergie, eingesparte fossile Brennstoffe)

Fazit:
Bei dem Beispiel Niedrigenergiehaus 150m² werden also ca. 53 kwh pro m² im Jahr nicht erneuerbare Energien eingespart.

Aussicht:
Mit zunehmenden Anteil regenerativer Energien in der Stromerzeugung sind bald noch bessere ökologische Ergebnisse zu erwarten.