Was ist Geothermie? Grundlagen und Nutzung der Erdwärme
- Abb. 1: Der Schalenaufbau der Erde (Uni Kassel)
Der Schalenaufbau der Erde
Die Erde besitzt einen schalenförmigen Aufbau mit der Erdkruste, dem Erdmantel und dem Erdkern (Abb. 1 und 5).
Die Erdkruste ist im Verhältnis zum Erddurchmesser von rund 12.750 km nur eine hauchdünne Kruste, ähnlich der Schale eines Hühnereis. Die Kruste ist unter den Ozeanen etwa 5 – 10 km dick, unter den Kontinenten etwa 15 – 40 km.
Höhere Mächtigkeiten bis 250 km erreicht die Kruste nur im Bereich der alten, seit Beginn des Paläozoikums nicht mehr in den Kreislauf der Gesteine einbezogenen Kratone, den Kerngebieten der Kontinente (Abb. 2). Zum Vergleich: Die weltweit tiefste Bohrung wurde im Norden Russlands auf der Kola-Halbinsel niedergebracht: Sie ist 12.262 m tief und es dauerte 24 Jahre, von 1970 bis 1994, bis diese Tiefe erreicht wurde (Abb. 3).
- Abb. 2: Der Westteil des Superkontinents Gondwana zu Beginn des Paläozoikums mit den alten Kratonen (www.brazadv.com)
- Abb. 3: Die Ruine des ehemaligen Bohrturms der Kola-Bohrung um 2007 (Foto: Andre Belozeroff)
Bereits in der Erdkruste herrschen hohe Temperaturen, an der Krustenunterseite bis 1.100°C. Im Mittel nimmt die Temperatur in der Kruste um 3°C pro 100 m Tiefe zu. Das ist die so genannte geothermische Tiefenstufe (Abb. 4).
Unter der Kruste beginnt der Erdmantel, der nach gesteinsphysikalischen Eigenschaften in den oberen Mantel, den unteren Mantel und in eine Übergangszone unterteilt wird (Abb. 5). Der obere Mantel reicht bis etwa 400 km Tiefe, die Übergangszone bis etwa 900 km und der untere Mantel bis 2.900 km Tiefe. Während im oberen Mantel die Temperaturen bis 1.400°C ansteigen, erreichen sie im unteren Mantel bis zu 3.700°C.
Unterhalb von 2.900 km beginnt der Erdkern, der in einen äußeren flüssigen Kern und einen inneren festen Kern unterteilt wird. Im äußeren Kern herrschen Temperaturen von etwa 4.000°C, im inneren Kern bis zu 6.000°C.
- Abb 4: Geothermen für unterschiedliche Bereiche der Lithosphäre (www.geophysik.uni-kiel.de): KS=Kontinentaler Schild, KA=aktive kontinentale Kruste, O=ozeanische Lithosphäre
- Abb. 5: Schnitt durch die Erde (Ausschnitt aus Chris828 in Wikipedia)
Tiefe und untiefe Geothermie
Die praktische Anwendung der Geothermie beschränkt sich auf den oberen Teil der Erdkruste. Hier wird die Geothermie in die oberflächennahe oder untiefe Geothermie und in die tiefe Geothermie unterschieden, wobei die abgrenzenden Tiefen nicht exakt definiert sind.
Von tiefer Geothermie spricht man im Allgemeinen erst ab Bohrtiefen von etwa 500 m. Eine andere Definition ist, dass die tiefe Geothermie Systeme umfasst, bei denen die geothermische Energie in Form von Wärme direkt, ohne Temperaturniveauanhebung über eine Wärmepumpe, genutzt werden kann.
Von untiefer Geothermie spricht man bei Tiefen nahe der Geländeoberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 500 m.
Energie aus der Tiefe
- Abb. 6: Schematische Darstellung des Hot-Dry-Rock-Verfahrens (Uni Tübingen)
Eine Möglichkeit der Nutzung der tiefen Geothermie ist das so genannte Hot-Dry-Rock-Verfahren:
Das in der Tiefe von einigen Tausend Metern (meist 3.000 bis 6.000 m) anstehende trockene heiße Gestein (Hot-Dry-Rock) wird durch eine oder mehrere Bohrungen (1) erschlossen.
In die Bohrungen wird Wasser mit hohem Druck bis zu 150 bar eingepresst, so dass das Gestein in der Tiefe aufgebrochen wird (fracturing) und eine dauerhafte Wasserwegsamkeit entsteht (2).
Dadurch wird ein unterirdischer Wärmetauscher erzeugt, dessen Wasser über weitere Bohrungen (3) als überhitzter Wasserdampf nach oben gefördert wird, wo es entweder Turbinen zur Stromerzeugung antreibt oder der direkten Wärmegewinnung dient (Abb. 6).
Das einzige Geothermie-Kraftwerk nach dem Hot-Dry-Rock-Verfahren in Deutschland ist das Geothermie-Projekt in Bad Urach. Nach einem längeren Stillstand aus Kostengründen wird das Projekt nun doch weiter betrieben. Die erste Bohrung hatte aus einer Tiefe von 4.445 m Wasser mit einer Temperatur von 175°C gefördert.
Übergangsformen zwischen tiefer und untiefer Geothermie sind natürliche hydrothermale Systeme mit hohem Energiegehalt. Hier dient Wasserdampf- oder das Zweiphasensystem Dampf und Wasser aus dem Untergrund zur direkten Stromerzeugung. Diese Form der Geothermie ist in Deutschland nur an wenigen Stellen und nur in größeren Tiefen vorhanden (Geothermie-Kraftwerke in Bad Urach, Unterhaching, Landau und Neustadt-Glewe).
Bekannte Länder mit typischen hydrothermalen geothermischen Lagerstätten sind Island, Neuseeland, Teile von China und der USA (Abb. 9, 10, 11, 12).
- Abb. 9: Geothermisches Feld in Tibet ...
- Abb. 10: ... und in Wyoming (USA)
- Abb. 11: Geothermie-Kraftwerk auf Island ...
- Abb. 12: ... und in den USA (wikimedia commons)
Oberflächennahe Geothermie
Im Tiefenbereich bis etwa 10 – 15 m unter der Geländeoberfläche entstammt die Erdwärme in erster Linie gespeicherter Sonneneinstrahlung und atmosphärischer Wärme - das ist der Wärmeeintrag über die Luftmoleküle – sowie aus dem einsickernden Regenwasser und aus der biologischen Aktivität des Bodenlebens pflanzlicher und tierischer Art.
Der größte Anteil der oberflächennahen Erdwärme wird durch radioaktive Zerfallsprozesse erzeugt, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen.
Es ist die radiogene Wärmeproduktion, die Wärme, die beim Zerfall radioaktiver Isotope entsteht. Es sind dies vor allem Uran, Thorium und Kalium, die in der Erdkruste zwar nur in kleinen Mengen vorkommen (wenige ppm für Uran und Thorium und wenige Prozente für Kalium), aber eine große Wirkung haben: Sie bestimmen ganz wesentlich den Wärmestrom und die Temperatur in der Kruste.
Im Mantel finden sich die drei Elemente etwa zweimal weniger häufig. Andere radioaktive Isotope wie Aluminium 26 oder Plutonium 244 haben wahrscheinlich nur in der Frühzeit der Erde eine Rolle gespielt.
Mit zunehmender Tiefe macht sich der Wärmestrom aus dem Erdinneren als Restwärme der Erdentstehung vor rund 4,7 Mia. Jahren immer stärker bemerkbar. Möglicherweise ist der Erdkern ein Kernreaktor, der kontinuierlich Wärme erzeugt.
Nicht nur die Tiefe und die Art des Gesteins spielen für das geothermische Potenzial eine wichtige Rolle, sondern auch das Grundwasser. Grundwasser hat in unseren Breiten eine über alle Jahreszeiten weitgehend gleich bleibende Temperatur von etwa 10 °C und transportiert durch seine Fließbewegung ständig neue Wärmeenergie heran.
- Abb. 13: Jahrestemperaturverlauf im oberen Bodenbereich
Der Jahresverlauf der Temperaturen in den oberen 15 m der Erdoberfläche ist im Diagramm der Abb. 13 dargestellt:
Im Winter liegen die Außentemperaturen in der Nähe des Gefrierpunktes, in wenigen Metern Bodentiefe erreicht die Temperatur aber bereits einen Wert von im Mittel 10 °C.
Im Sommer liegt die Außentemperatur im Mittel bei annähernd 20 °C, das Erdreich in wenigen Metern Tiefe hat immer noch relativ konstante Temperaturen im Bereich von 10 °C. Ähnliches gilt in gemäßigter Form für die Übergangszeiten Frühjahr und Herbst.
Hier wird deutlich, dass Erdwärme eine immer funktionierende Energiequelle ist, die – anders als Wind- und Solarenergie – 24 Stunden am Tag sommers wie winters in immer gleichbleibender Qualität zur Verfügung steht (Animation).
Räumliche Verteilung der geothermischen Potenziale
- Abb. 14: Wärmeleitfähigkeiten einiger Gesteine (www.geophysik.uni-kiel.de)
Unterschiedliche Gesteine haben unterschiedliche geothermische Ergiebigkeiten (geothermische Potenziale oder geothermische Entzugsleistungen). Grundlagen der spezifischen geothermischen Ergiebigkeiten einzelner Gesteinsarten wie Fest- oder Lockergesteine sind die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit:
Die Wärmekapazität eines Gesteins ist eine Materialeigenschaft und gibt an, wie viel Wärme Delta Q ein Gesteinskörper pro Temperaturänderung Delta T speichern kann.
Die Wärmeleitfähigkeit eines Gesteins ist sein Vermögen, thermische Energie mittels Wärmeleitung zu transportieren. Die (spezifische) Wärmeleitfähigkeit in W/(K x m) ist eine temperaturabhängige Materialkonstante (Abb. 14).
Wie schon erwähnt, spielt das Grundwasser eine wichtige Rolle für die Entzugsleistung, insbesondere wenn es sich in porigen Grundwasserleitern, z. B. in Kiesen und Sanden, frei und schnell bewegen kann. In feinkörnigen Lockergesteinen wie z. B. in Tonen, kann das Grundwasser aufgrund seiner dort geringen Fließgeschwindigkeit nur wenig Wärmeenergie transportieren.
- Abb. 15: Übersichtskarte der oberflächennahen geothermischen Potenziale in NRW (Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen, Krefeld)
In Nordrhein-Westfalen hat der Geologische Dienst eine Karte der geothermischen Potenziale der oberflächennahen Gesteine bis 100 m Tiefe herausgegeben (Abb. 15). Die Angabe der Ergiebigkeiten erfolgt in kWh/m x a für 1.800 und 2.400 Betriebsstunden der Wärmepumpe.
Wird die Erdwärme nur für die Heizung benötigt, so geht man von einer mittleren Laufzeit der Wärmepumpe von ca. 1.800 h/a aus, bei Heizbetrieb und Warmwasserbereitung läuft die Wärmepumpe im Mittel ca. 2.400 h/a.
Da sich die Gesteinsarten und damit die Gesteinskennwerte mit der Tiefe ändern, ist hier eine Länge der Erdwärmesonden von einheitlich 40 m zugrunde gelegt worden. Die Grundrissdarstellung bezieht sich also auf eine Bohrtiefe von 40 m.
Die Gesamtkarte von NRW weist im Großen und Ganzen 4 unterschiedliche Bereiche aus: den Bereich nördlich des Ruhrgebietes (gelb), in dem die Ergiebigkeit zwischen etwa 100 und 120 kWh/m x a liegt, und den Bereich des Rheinischen Schiefergebirges (braun) mit etwa 120 bis 140 kWh/m x a.
Auffällig sind der rote und der blaue Bereich im Westen des Landes. Rot ist die grundwassererfüllte Rheinschiene von Köln bis Emmerich mit extrem hohen Potenzialen bis über 190 kWh/m x a. Blau ist eine Zone mit sehr geringem Potenzial, das ist der Bereich der Grundwasserabsenkung der Rheinbraun von Erftstadt bis Grevenbroich. Hier liegen die geothermischen Potenziale oft unter 60 kWh/m x a.
Wie wird die Energie dem Untergrund entzogen?
- Abb. 16: Erdwärmekollektoren (Bundesverband Wärmepumpe)
Generell ist ein geothermisches Potenzial ab 100 kWh/m x a für die Errichtung und den Betrieb einer Erdwärmeanlage günstig. Aber auch in Gebieten geringerer Ergiebigkeiten kann eine Erdwärmeanlage sinnvoll sein. Dazu muss jeder Einzelfall gesondert betrachtet werden.
Der obere Bodenbereich von 1 – 2 m Tiefe wird hauptsächlich durch Sonneneinstrahlung und Regenwasser erwärmt, hier nimmt der Boden im Sommer viel Energie auf und gibt im Winter relativ wenig ab; im Jahresverlauf wird hier die meiste Wärmeenergie gespeichert.
In dieser Tiefe zwischen 1 und 2 m kommen flach liegende Erdwärmekollektoren oder auch Erdregister zum Einsatz, ähnlich der Anordnung einer Fußbodenheizung im Haus (Abb. 16). Die einfachen Kollektorrohre bestehen aus dem hochfesten Kunststoff Polyethylen.
- Abb. 17: Erdwärmesonden (Bundesverband Wärmepumpe)
- Abb. 18: Energieentnahme aus dem Grundwasser (Bundesverband Wärmepumpe)
Die gebräuchlichste Form der Erdwärmeentnahme geschieht über Erdwärmesonden (Abb. 17). Die Sonden werden in der Regel in bis zu 150 m tiefe Bohrungen senkrecht eingelassen und mit einer Bentonit-Zement-Suspension im Bohrloch fest vergossen.
Eine wasserrechtliche Genehmigung ist obligatorisch. Bohrungen tiefer als 100 m erfordern zudem eine bergrechtliche Anzeige.
In Gebieten mit ergiebigen und oberflächennahen Grundwasservorkommen kann auch das Grundwasser zur Energiegewinnung direkt genutzt werden (Abb. 18). Hier wird im Anstrom des zufließenden Grundwassers ein Brunnen eingerichtet, der das etwa 10 °C warme Grundwasser nach oben fördert. In einem Wärmetauscher wird dem Grundwasser die Wärmenergie entzogen und das abgekühlte Wasser im Grundwasserabstrom über einen Infiltrationsbrunnen wieder in den Untergrund eingeleitet.
- Abb. 19: Einfach-U-Sonde (HakaGerodur AG)
- Abb. 20: Doppel-U-Sonde mit Fuß
- Abb. 21: Sammelschacht mit Sonden-Verschaltungen
Als Erdwärmesonden kommen hochfeste Polyethylen-Rohre mit 25, 32 oder 40 mm Durchmesser zum Einsatz, meist als Doppel-U-Sonden oder als Koaxialsonden, die im unteren Teil mit einem schweren Sondenfuß versehen sind (Abb. 19, 20).
Nach dem Einbau werden die Sonden mit einer Zement-Bentonit-Suspension im Bohrloch vergossen und an der Oberfläche verschaltet. Bei mehreren Sondenbohrungen werden die einzelnen Sondenabgänge über Verteiler und Sammler in einem Sammelschacht der Wärmepumpe zugeführt (Abb. 21).
- Abb. 22: Energiepfahl (www.geophysik.rwth-aachen.de)
Eine spezielle Form der Erdwärmenutzung ist der Energiepfahl (Abb. 22). Wenn Bauwerke auf wenig tragfähigem Untergrund errichtet werden, gibt es die Möglichkeit, die Bauwerkslasten über Betonpfähle in den tieferen tragfähigen Untergrund einzuleiten. In diese Pfähle werden dann Erdwärmesonden mit in den Beton eingegossen, die dem Untergrund die Wärmeenergie entziehen.
Der Vorteil ist, dass keine gesonderten Bohrungen gesetzt werden müssen, sondern dass vorhandene Einrichtungen genutzt werden können.
Vor- und Nachteile gängiger Methoden des Erdwärmeentzugs
Die Entnahme von Erdwärme direkt aus dem Grundwasser hat einen hohen Wirkungsgrad, weil Wasser eine hohe Wärmekapazität besitzt und außerdem durch den stetigen Fließvorgang des Grundwassers ständig neue Wärmeenergie zur Entnahmestelle transportiert wird.
Als Nachteile stehen dem gegenüber, dass der Bau der zwei erforderlichen Brunnen teuer ist. Weiterhin besteht bei eisenhaltigem Grundwasser im Verlauf der Zeit die Gefahr einer Verockerung besonders des Entnahmebrunnens, d. h. die Brunnen müssen von Zeit zu Zeit wieder regeneriert bzw. im worst case neu gesetzt werden.
Problematisch kann auch die wasserrechtliche Genehmigung werden, da hier das Schutzgut Grundwasser direkt genutzt wird.
Erdwärmekollektoren, die in mindestens 1,20 und maximal 1,50 m Tiefe verlegt werden sollten, stellen eine preisgünstige Alternative des Erdwärmeentzugs dar. Nachteilig ist allerdings der große Flächenbedarf, der je nach Auslegung der Anlage bis zum 2-fachen der beheizten Wohnfläche betragen kann. Bei einem Niedrigenergiehaus, das z. B. einen Wärmebedarf von 40 kWh/m² x a hat, bedarf es allerdings nur etwa einer Gartenfläche, die der beheizten Wohnfläche entspricht.
Nachteilig ist auch die eingeschränkte Nutzbarkeit der Fläche, die weder überbaut werden darf noch tief wurzelnde Pflanzen verträgt.
Erdwärmesonden in Bohrlöchern haben dagegen einen sehr geringen Flächenbedarf und deshalb auch keine nennenswerten Nutzungseinschränkungen an der Oberfläche. Nachteilig sind ggf. die Baukosten, die höher als bei Erdwärmekollektoren sind, jedoch geringer als für die Errichtung von Grundwasserbrunnen.
Insgesamt stellt das System der Erdwärmesonden in den meisten Fällen einen guten Kompromiss dar.
Die Wärmepumpe
- Abb. 23: Funktionsschema einer Wärmepumpe (Glen Dimplex Deutschland GmbH)
Zentrales Bauteil einer Erdwärmeanlage ist die Wärmepumpe (Animation) (Abb. 23). Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebung, entweder dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft über den Solekreislauf Wärme und gibt diese auf einem höherem Temperaturniveau an den Heizungskreislauf wieder ab.
Die Arbeitsweise einer Wärmepumpe entspricht prinzipiell der eines Kühlschrankes - allerdings mit dem Ziel Heizen statt Kühlen.
Der Solekreislauf (1) ist ein geschlossener Kreislauf, in dem die Sole, in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, der Wärmequelle Boden, Wasser oder Luft Wärmeenergie entzieht, indem sich die Sole während der Passage durch z. B. den Boden aufheizt.
In einem geschlossenen Kreislauf innerhalb der Wärmepumpe zirkuliert eine Flüssigkeit, das so genannte Kältemittel, das schon bei niedrigen Temperaturen verdampft. Zunächst liegt die Temperatur des Kältemittels unter der Temperatur der Wärmequelle (Boden, Grundwasser oder Luft). Deshalb kann das Kältemittel im Verdampfer Wärme aufnehmen, wobei es verdampft (2).
Eine nachgeschaltete Pumpe, der Verdichter oder Kompressor (3), erhöht den Druck des verdampften Kältemittels, dabei steigt seine Temperatur an. Jetzt kann diese Wärme an den Heizkreislauf abgegeben werden (4), denn die Temperatur des unter hohem Druck stehenden Kältemitteldampfes ist nun höher als die Temperatur des Heizungswassers (5).
Der Kältemitteldampf kühlt sich dabei ab und wird wieder flüssig. Danach wird der hohe Druck in einem Expansionsventil (6) wieder abgebaut, das Kältemittel kühlt sich dabei weiter ab und kann erneut Wärme aufnehmen. Der Kreislauf beginnt von vorn: Wärmeenergieaufnahme, Komprimieren, Wärmeabgabe, Dekomprimieren.
- Abb. 24: Kleine Wärmepumpe für ein Enfamilienhaus (www.dimplex.de)
- Abb. 25: Wärmepumpe für ein Mehrfamilienhaus (www.baublog.matthesius.de)
Von der Wärme, die eine Wärmepumpe (Abb. 24 und 25) zum Heizen abgibt, stammen etwa drei Viertel aus der Umwelt, also aus dem Boden, dem Grundwasser oder der Luft. Das restliche Viertel wird als elektrischer Strom dem Antrieb der Wärmepumpe zugeführt und im Kompressor in Wärme umgewandelt. Das heißt, mit jeder kWh Strom, die in die Wärmepumpe geführt wird, werden zusätzliche 4 - 5 kWh an Wärme aus dem Erdreich gewonnen.
Moderne Wärmepumpen haben damit Wirkungsgrade oder Leistungszahlen zwischen 4 und 5. Relativ neu in der Entwicklung sind auch gasbetriebene Wärmpumpen, die im Allgemeinen noch höhere Leistungszahlen aufweisen.
Kühlen mit Erdwärme
Durch Zuschaltung eines Klimamoduls kann eine Wärmepumpe zu einem Klimasystem komplettiert werden. Die Klimatisierung erfolgt bei geringem Kühlbedarf durch passive Kühlung, d. h. die kühle Sole aus den Erdsonden zirkuliert ohne Aktivierung der Wärmepumpe direkt durch das Heizungssystem.
Bei höherem Kühlungsbedarf erfolgt die Klimatisierung durch aktive Kühlung, d. h. die Wärmepumpe entzieht der Sole weitere Wärme und kühlt die Häuser aktiv. Die damit in der Wärmepumpe erzeugte Wärme kann entweder in das Erdreich abgegeben und dort für den Winterbetrieb gespeichert werden oder kann den Warmwasserkreislauf im Haus unterstützen.