Geothermie

Definition von Geothermie

Geothermische Energie bezeichnet thermische Energie (Wärme), die innerhalb der Erde gespeichert ist. Daher ist sie auch als Erdwärme bekannt. Das Zentrum der Erde hat eine ähnliche Temperatur wie die Oberfläche der Sonne (circa 5000-6000 °C). Der Planet kühlt sich zur Oberfläche hin ab. Heiße Quellen und Geothermiekraftwerke erreichen Tiefen, in welchen eine hohe Temperaturdifferenz zur Erdoberfläche herrscht, und machen die Wärme des Erdinneren für den Menschen nutzbar.

Als Geothermie wird die Nutzbarmachung dieser Energie bezeichnet. Alternativ kann das Wort auch die Wissenschaft bedeuten, die die Ursprünge und die Verteilung der Erdwärme untersucht. Sie wird auch Geothermik genannt.

Woher stammt die Erdwärme?

Bei der Entstehung der Erde vor 4,7 Milliarden Jahren wurden große Wärmemengen freigesetzt. Unser Planet entstand aus einer kosmischen Wolke aus Staub, Gas und Gesteinsbrocken. Das durch die Schwerkraft verursachte Zusammenballen, eine immer stärkere Verdichtung der Materie und zahlreiche Meteoriteneinschläge führten zu einer stetigen Aufheizung der noch jungen Erde und zu ihrer weitgehenden Aufschmelzung. Bei etwa 30 bis 50 Prozent der heute vorhandenen Erdwärme handelt es sich um Restwärme der damaligen Prozesse.

Der Hauptteil der Geothermie, circa 50 bis 70 Prozent, lässt sich auf den Zerfall von natürlichen radioaktiven Elementen in den Gesteinen zurückführen. Hierbei ist auch von natürlicher Kernenergie die Rede, da, wie im Reaktor eines Atomkraftwerks, durch den Zerfall radioaktiver Isotope enorme Mengen an Energie in Form von Wärme entstehen. Im oberflächennahen Teil führt außerdem die direkte Sonneneinstrahlung zur Erwärmung. Diese klimatischen Auswirkungen zeigen sich aber nur in den obersten Metern der Erdkruste und bilden damit nur einen sehr geringen Anteil des Gesamtpotenzials.

Die Nutzung der Geothermie

Bei der Nutzung der Erdwärme wird zwischen oberflächennaher Geothermie und Tiefengeothermie unterschieden. Während die oberflächennahe Geothermie insbesondere bei der Versorgung kleinerer Einheiten wie Wohnhäusern zur Anwendung kommt, spielt die tiefe Variante vor allem bei größeren Projekten wie Erdwärme-Kraftwerken zur Stromerzeugung eine Rolle.

Oberflächennahe Geothermie

Die Temperaturen in oberflächennahen Bereichen sind selbst im Winter an manchen Orten noch hoch genug, um Gebäude ausreichend zu erwärmen. Meist wird jedoch eine Wärmepumpe benötigt, um die relativ niedrigen Temperaturen nutzbar zu machen. Bei oberflächennaher Geothermie kommen entweder Erdwärme-Kollektoren zum Einsatz, die 1,20 bis 1,50 Meter tief horizontal in mehreren Schleifen verlegt werden, oder Erdwärme-Sonden, welche die Wärme in 50 bis 100 Meter Tiefe gewinnen.

Tiefengeothermie

Für die tiefe Geothermie gibt es zwei verschiedene Ansätze: hydrothermale und petrothermale Systeme. Hydrothermale Systeme nutzen die Wärme Wasser führender Schichten direkt zur Energiegewinnung. Petrothermale Systeme ziehen die Wärme hingegen aus heißem Tiefengestein. Der Betrieb eines Geothermie-Kraftwerks lohnt sich grundsätzlich erst ab Temperaturen von 160 Grad, die sich in einigen Regionen Deutschlands bereits in einer Tiefe von 3000 bis 5000 Metern finden. Da tiefe Bohrungen gewisse seismische Risiken mit sich bringen, erfordert die Tiefengeothermie eine besonders sorgfältige Planung.

Oberflächennahe Geothermie: Die Funktionsweise einer Wärmepumpe

Erdwärmepumpen-Heizungsanlagen entziehen dem Boden Wärme und speisen diese in den Heizkreislauf ein. Sie erfreuen sich aufgrund ihrer niedrigen Betriebskosten und der hohen Umweltfreundlichkeit vor allem beim Hausneubau immer größerer Beliebtheit. Eine solche Heizungsanlage besteht aus:

• einer Wärmequellenanlage in Form von Geothermie-Kollektoren oder Geothermie-Sonden, die der Umgebung die benötigte Wärme entziehen,
• der eigentlichen Wärmepumpe, welche die gewonnene Wärmeenergie nutzbar macht,
• und einem Speicher- und Wärmeverteilsystem.

Die Energie, die zur Erzeugung der Heizwärme verbraucht wird, besteht zu etwa 75 Prozent aus kostenloser Erdwärme und zu circa 25 Prozent aus elektrischer Energie zum Betreiben des Kompressors. Dank der ganzjährig fast konstanten Bodentemperaturen arbeiten Erdwärmepumpen hocheffizient.

Erste Grundsätze zum Wärmepumpenprinzip veröffentlichte der Franzose Sadi Carnot bereits 1824. Etwa einhundert Jahre später gingen in Zürich erste größere Wärmepumpenanlagen zum Beheizen von Gebäuden in Betrieb. Die erste Erdwärmepumpe Deutschlands wurde 1969 angeschlossen. Seither entwickelten sich die Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung und die Raumheizung zu einer zuverlässigen und umweltfreundlichen Heizungsvariante.