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Die unerschöpfliche Energiequelle unter unseren Füßen

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Heute ist Tag der erneuerbaren Energien. Dr. Erwin Knapek bringt auf den Punkt, warum zur Energiewende auch die Wärmewende gehört und warum wir mit Geothermie gleich doppelt punkten können.

Dr. Erwin Knapek ist Präsident Bundesverband Geothermie. Als damaliger Bürgermeister von Unterhaching war er maßgeblich an der Umsetzung des Heizkraftwerks beteiligt. Foto: Phillip Guillant, DGK 2019

Der größte Energiespeicher unserer Erde ist die Erde selbst. Über eine Milliarde Kubikkilometer beträgt ihr Volumen. In ihrer Mitte, im rund 6.000 Kilometer von der Erdoberfläche entfernten Erdkern, herrschen Temperaturen von geschätzten 5.000 Grad. Insgesamt sind 99 Prozent des Erdinnern über 1.000 Grad heiß. Von dem verbleibenden Prozent erreichen wiederum 99 Prozent Temperaturen von über 100 Grad.

Allein dieser Bruchteil würde genügen, um einen sehr großen Teil der Menschheit mit Wärme und Kühlenergie zu versorgen sowie einen nennenswerten Beitrag zur Stromversorgung zu leisten. Und das CO2-neutral, kostengünstig und mithilfe von weitestgehend „unsichtbaren“ Anlagen. Alles, was man dafür tun muss, ist, das Erdreich „anzuzapfen“.

Der Wärmestrom aus der Tiefe

30 Prozent des an die Erdoberfläche steigenden Energiestroms entstammen dem heißen Erdkern. 70 Prozent entstehen durch den ständigen Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente in Erdmantel und Erdkruste. Unmittelbar unter der Erdoberfläche wird ein Teil der Wärme durch Regen und Sonneneinstrahlung zugeführt.

Im Durchschnitt liegt die Temperatur hierzulande in 20 Meter Tiefe unabhängig von Jahreszeiten konstant bei ca. 10 Grad. Pro 100 Meter, die man tiefer ins Erdreich eindringt, steigt die Temperatur durchschnittlich um 3 Grad. Besonders heiß ist der Untergrund im Oberrheingraben. Hier liegt der Temperaturgradient sogar bei 5 Grad. Das bedeutet, dass man bereits bei Tiefen von 2.000-3.000 Metern Temperaturen von 100 Grad und mehr antreffen kann. In vielen Regionen der Welt sind die Bedingungen sehr ähnlich. Man spricht hierbei von Niederenthalpieregionen. In vulkanischen Gebieten oder Hochenthalpieregionen wie Island, Indonesien oder Kenia ist der Untergrund auch in geringen Tiefen bereits sehr heiß. Über Geysire und Fumarole kommt das kochende Wasser in flüssiger Form oder als Dampf sogar direkt an die Erdoberfläche.

Flexible Bereitstellung von Wärme, Kühlung und Strom

Die Erdwärme kann entweder direkt genutzt werden, zum Beispiel zur Beheizung von Wohnhäusern, großen Bürogebäuden oder auch zur Eisfreihaltung. In einigen Ländern wird die Erdwärme noch für weitaus mehr genutzt. In Island wird teilweise sogar mit Erddampf gekocht. Das geht nicht nur besonders schnell, sondern ist auch nährstoffschonend. Zudem werden mit Erdwärme Lebensmittel getrocknet und haltbar gemacht. Im bayerischen Kirchweidach werden zudem erstmals in Deutschland mithilfe von Erdwärme umweltfreundlich Tomaten und Paprika angebaut. In warmen Jahreszeiten, wenn das Erdreich kälter als die Umgebungsluft ist, dient das Erdreich auch zur Kühlung von Gebäuden.

Die Erdwärme kann auch genutzt werden, um Strom zu produzieren. Dabei wird das Thermalwasser mit mehr als 100 Grad dazu genutzt, das Betriebsmittel (meist organische Stoffe) zu erwärmen und zu verdampfen. Dieser Dampf treibt eine Turbine an und der Generator wandelt die Bewegungsenergie in Strom um.  

Eine Technologie mit vielen Chancen

Die Erdwärme ist eine Energiequelle, die nach menschlichem Ermessen unendlich ist. Sie ist zudem sehr umweltfreundlich und ressourcenschonende. Überall wo man sie benötigt, ist sie vor Ort verfügbar. Sie ist frei vom Einsatz von Brennstoffen, die geliefert oder extra produziert werden müssten.

Zudem ist der Platzbedarf äußerst gering. Eine Erdwärmesonde hat gerade einmal den Durchmesser einer CD und kann unauffällig unter dem Rasen oder der Einfahrt installiert werden. Auch eine tiefengeothermische Großanlage kann harmonisch in das Ortsbild eingefügt werden.

Bei der geothermischen Wärmenutzung wird die Energie ideal eingesetzt. Werden bei herkömmlichen Heizungen durch die Verbrennung von Öl oder Gas deutlich höhere Temperaturen erzeugt als für die Beheizung benötigt, stellen Geothermieanlagen Wärme dagegen genau auf dem benötigten Temperaturniveau zur Verfügung. Dadurch gehören Geothermieheizungen in der Regel zu den effizientesten Heizsystemen.

Die Kaskadennutzung der Erdwärme ermöglicht weitere Effizienzsteigerungen. Dabei wird die Erdwärme in mehreren Stufen optimal ausgenutzt. Beispielsweise zunächst zur Stromproduktion (bei Temperaturen von mehr als 100 Grad), dann zur Beheizung eines Fernwärmenetzes (80-90 Grad) und schließlich zur Beheizung eines Gebäudes in unmittelbarer Anlagennähe oder eines Gewächshauses. Damit wird die Wärme des Thermalwassers optimal ausgenutzt, bevor es wieder in das Erdreich zurückgeführt wird.

Licht vor der Hacke

Ein bekannter Bergmannsgruß lautet: Vor der Hacke ist es duster. Ganz so „duster“ ist es dank der Entwicklung von seismische Messverfahren inzwischen nicht mehr. Sie ermöglichen die Erstellung von 2D- oder 3D-Modellen des Untergrunds. Die Daten werden durch das Einleiten von leichten Schwingungen ins Erdreich gesammelt. Große Lastwagen lösen diese über Metallplatten aus. Durch ein Netz von Geophonen werden diese im Zielgebiet gemessen (Abb. 2). Die Reflektion der Schwingungen erlaubt Rückschlüsse auf die Verteilung der Gesteinsschichten und die Verfügbarkeit von Thermalwasser. Seismische Messungen gehören inzwischen zum Stand der Technik bei tiefengeothermischen Projekten. Die Erkenntnisse aus der Seismik können durch eine Erkundungsbohrung bestätigt werden.