Die geothermische Energie unseres Planeten kann auf vielfältige Weise genutzt werden. Man unterscheidet dabei zwischen Direkter Nutzung der Wärme selbst und Nutzung nach Umwandlung der thermischen Energie in Strom in einem Geothermiekraftwerk. Optimale Wirkungsgrade lassen sich dabei jedoch nur in sog. Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen (KWK-Anlagen) erreichen. Im Gegensatz zu thermischen Wärmekraftwerken, die zur reinen Stromproduktion genutzt werden, wird bei KWK-Anlagen durch die gleichzeitige Abgabe von Strom und Wärme ein sehr viel höherer Nutzungsgrad erreicht. Die ausschließliche Nutzung der Geothermie über KWK-Anlagen wird allerdings durch die Abnehmerstruktur beschränkt und nicht durchführbar sein. Nicht an jedem Kraftwerksstandort lassen sich auch Abnehmer für die Wärme finden.

Direkte Nutzung

Die Direkte Nutzung der Erdwärme kann als klassisches Gebiet der Geothermie betrachtet werden. Bereits vor tausenden von Jahren dienten natürliche Thermalwasservorkommen zum Baden, Heizen und Kochen. Frühe balneologische Anwendungen finden sich bereits in der Antike. In den Bädern des Römischen Reiches, im Mittleren Königreich der Chinesen sowie bei den Ottomanen wurde das aus natürlichen Thermalquellen austretende Wasser für Bade- und Heizzwecke genutzt. In Chaudes-Aigues im Herzen von Frankreich existiert das erste historische, geothermische Fernwärmnetz, dessen Anfänge bis ins 14. Jahrhundert zurückreichen.

Heute stellt die Wärmeversorgung die bedeutendste Anwendung der direkten Nutzung von Geothermie dar. Dabei wird nicht das Thermalwasser selbst genutzt, sondern es wird ihm die Wärme über Wärmetauscher entzogen und unmittelbar in ein Fernwärmenetz eingespeist. Die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten geothermischer Energie ist in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Erdgekoppelte Wärmepumpen

33,2%

Bäder, Balneologie

28,8%

Fernwärme

20,2%

Gewächshäuser, Gartenbau

7,5%

Aquakulturen

4,2%

Industrielle Nutzung

4,2%

Landwirtschaftliche Trocknungsprozesse

0,8%

Schneeschmelze, Klimakälte

0,7%

Andere

0,4%

Direkte Nutzung geothermischer Energie nach Energieverbrauch und Anwendungsbereichen, nach LUND ET AL. (2005)

Wärme wird heutzutage in vielfältiger Weise gebraucht. Eine klassische Darstellung der dabei benötigten Temperaturen gibt das Lindal Diagramm (Baldur Lindal, 1918-1997).

Einkochen und Eindampfen, z. B. von Salzlösungen

120°C

Trocknung von Zementplatten

110°C

Trocknung von organischem Material (z.B. Heu, Gemüse, Wolle)

100°C

Lufttrocknung von Stockfisch

90°C

Raumheizung

80°C

Kühlung (untere Temperaturgrenze)

70°C

Tierzucht

60°C

Pilzzucht, Balneologie

50°C

Bodenheizung

40°C

Schwimmbäder, Enteisung, Schneeschmelze,
biologische Zerlegungs- und Gärungsprozesse

30°C

Fischzucht

20°C

Lindal-Diagramm: Anwendungsbereiche für die direkte Nutzung geothermischer Energie in Abhängigkeit von der Wassertemperatur. Eine kombinierte Nutzung aus dieser Temperaturkaskade stellt gleichzeitig den Schlüssel für die Wirtschaftlichkeit eines Projekts.

In Deutschland ist die direkte Nutzung (oberflächennaher) Geothermie zum Heizen und Kühlen in vielen Regionen verbreitet.  Beispiele dafür sind die vielen Bäder, wie es z.B. im Voralpenraum gibt. 

Für die Wärmenutzung aus tiefer Geothermie eignen sich niedrigthermale Tiefengewässer mit Temperaturen zwischen 40 und 100 °C, wie sie vor allem im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen Tiefebene vorkommen. Das Thermalwasser wird gewöhnlich aus 1000 bis 2500 Metern Tiefe über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, gibt den wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie per Wärmeüberträger an einen zweiten, den „sekundären“ Heiznetzkreislauf ab. Über eine zweite Bohrung wird das nun abgekühlte Wasser anschließend mit einer Pumpe wieder in die Schicht im Untergrund verpresst, aus der es entnommen wurde.

Heizen & Kühlen mit oberflächennaher Geothermie

Die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie mittels Wärmepumpen ist bereits weit verbreitet und verzeichnet stetig steigende Zuwachsraten. 2006 wurden deutschlandweit 28.000 neue Anlagen installiert, was gegenüber dem Jahr 2005 einen Zuwachs von 115% bedeutet. 2007 dürfte weiterhin eine Anzahl von insgesamt 130.000 installierten Anlagen erreicht worden sein.
Für die meisten Anwendungen sind relativ geringe Temperaturen ausreichend, die durch tiefe Geothermie häufig direkt zur Verfügung gestellt werden können.
Zu den wenigen Anwendungen, bei denen auch die oberflächennahe Geothermie ohne den Einsatz von Wärmepumpen auskommt, gehört die natürliche Kühlung. Dabei wird Wasser mit der Temperatur des flachen Untergrundes direkt zur Gebäudekühlung verwendet. Die Wassertemperaturen entsprechen dabei der Jahresmitteltemperatur des jeweiligen Standortes und betragen in der Regel 8-10°C. Diese natürliche Kühlung hat das Potential, zumindest einige Räume einer Wohnung beziehungsweise eines Gebäudes zu temperieren, wenn diese mit flächenhaften Dateisystemen ausgestattet sind. Diese Fußbodenheizung und Wandsysteme werden auch für die Heizung mit Wärmepumpen genutzt. Von der Leistung ist sie jedoch nicht vergleichbar mit Klimaanlagen, die häufig für eine größere Absenkung der Temperatur dimensioniert sind.

Weitere Anwendungsbereiche die ohne den Einsatz von Wärmepumpen auskommen sind z.B. die Eisfreihaltung von Fahrbahnen, Brücken. Hier wird die dem Reservoir im Winter entnommene Wärme im Sommer mittels Umwälzpumpen wieder zugeführt. Zur Regeneration des Speichers im Untergrund dient dabei die von der aufgeheizten Fahrbahndecke abgeführte und eingespeicherte Wärme. Auch die Deutsche Bahn hat den Nutzen der Geothermie für Ihre Sache entdeckt. Im Jahr 2005 wurde in Bad Lauterberg ein Pilotprojekt gestartet um die dortigen Bahnsteige im Winter eisfrei zu halten. Die Freiflächen des Bahnhofs dienen dabei im Sommer als Energiekollektoren. Die gewonnene Energie wird über 10 Erdwärmesonden in 200m tiefen Gesteinsschichten gespeichert. Im Winter steht ein Großteil dieser Energie nebst der Erdwärme wieder zur Eisfreihaltung zu Verfügung. Das System stellt eine kostengünstige Alternative zum konventionellen Winterdienst dar.

Stromerzeugung

Die Geothermie weist neben Solarenergie, Windenergie und Energie aus Biomasse das bedeutendste Potential regenerativer Energien auf. Weltweit waren im Jahr 2007 Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 9.732 MW installiert welche mehr als 57.000 GWh Strom aus geothermischer Energie erzeugten. Das theoretisch mögliche, technische Gesamtpotential zur geothermischen Stromerzeugung in Deutschland liegt bei etwa 300.000 TWh, was etwa dem 600-fachen des deutschen Jahresstrombedarfs entspricht.

Die geothermische Stromerzeugung setzt die Erschließbarkeit von Wärmereservoirs mit hohen Temperaturen voraus und ist somit traditionell in Ländern vertreten, die über Hochenthalpielagerstätten verfügen, in denen Temperaturen von mehreren hundert Grad in vergleichsweise geringen Tiefen (< 2000 m) angetroffen werden. Inzwischen werden jedoch auch dort tiefere Bohrungen zur Erschließung der Reservoir ausgeführt. Geeignete Gebiete liegen an den kontinentalen Plattengrenzen und somit in Ländern wie Japan, Indonesien, den Philippinen, Ostafrika, Neuseeland, Island und den Westküsten von Nord- und Südamerika. Die Lagerstätten können dabei, je nach Druck und Temperatur, wasser- oder dampfdominiert sein. Bei modernen Förderungstechniken werden die ausgekühlten Fluide reinjiziert, so dass praktisch keine negativen Umweltauswirkungen, wie Schwefelgeruch, mehr auftreten.

Bei der hydrothermalen Stromerzeugung sind Wassertemperaturen von mindestens 100 °C notwendig. Unter besonderen Bedingungen, zum Beispiel bei schon bestehenden Geothermieanlagen zu Heizzwecke wird selbst bei Temperaturen unter 100°C eine Stromerzeugung möglich sein. In Alaska wird eine Geothermieanlagen mit einer Thermalwassertemperatur von 74°C betrieben. Der technische und wirtschaftliche Situation, dass kein anderes Energieerzeugungssystem unabhängig betrieben werden kann und der durch die niedrige Temperatur der Kühlung vergleichbar gute Wirkungsgrad machten das Projekt möglich.

 Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen über 200 °C können direkt zum Antrieb einer Turbine genutzt werden. In Deutschland liegen die Temperaturen der Thermalwasservorkommen größtenteils  jedoch deutlich niedriger. Lange Zeit wurde Thermalwasser daher hierzulande neben der balneologischen Nutzung nur zur Wärmeversorgung genutzt.

So genannte Organic-Rankine-Cycle (ORC) Anlagen  ermöglichen eine Nutzung von Temperaturen ab 80 °C zur Stromerzeugung. Diese arbeiten mit einem organischen Medium, welches bei deutlich niedrigeren Temperaturen als Wasser verdampft und somit auch bei relativ geringen Temperaturen ausreichend Dampfdruck für die Stromerzeugung in Turbinen erzielen kann. Hierdurch ist auch eine geothermische Stromerzeugung an vielen hydrothermalen Standorten in Deutschland möglich, welche in der Vergangenheit für die Stromerzeugung als nicht geeignet erschienen.

Eine Alternative zu ORC ist das Kalina-Verfahren. Hier werden Zweistoffgemische, so zum Beispiel aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsmittel verwendet. Beim Kalina-Verfahren macht man sich den physikalischen Effekt zu Nutze, dass in Zweistoffgemischen Verdampfung und Kondensation nicht wie bei reinen Stoffen isotherm von Statten gehen, sondern ein Temperatursprung auftritt. Dies führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades und zu einer höheren Stromausbeute. Zudem ist das System über eine Änderung des Ammoniakgehaltes bzw. des Mischungsverhältnisses mit Wasser im Kalinakreislauf relativ einfach an veränderte Temperaturen anpassbar.

Für Anlagen in einem kleineren Leistungsbereich (< 200 kW) sind auch motorische Antriebe wie Stirlingmotoren denkbar.

Die erste geothermische Anlage zur Stromerzeugung aus Erdwärme wurde in der Toskana (Italien) bereits 1904 in Lardarello von Graf Piero Ginori Conti errichtet. Es handelte sich dabei um ein Kraftwerk, in welchem wasserdampfbetriebene Turbinen 220 kW elektrische Leistung erzeugten. Heute werden dort mit 562 MW Strom in Italiens Energienetz eingespeist, was etwa 1,5% der gesamten italienischen Stromproduktion ausmacht.