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Das Champagner-Pool im Waiotapu Thermalwunderland auf der Nordinsel Neuseelands ist ein Beispiel für ein geothermisches Phänomen.

Nesjavellir, das größte geothermische Kraftwerk in Island

Erstellen Elektrizität mit Erdwärme

geothermische Hitze oder geothermisch (Altgriechischgē (γῆ), Erde und Thermal- (θέρμη), Hitze^[1]) ist thermische Energie, Wärme, von dem Boden. Dort kann Energie werden mit dem gewonnen Temperaturunterschied zwischen der Erdoberfläche und tief in der Erde befindlichen Wärmespeichern. Geothermie wird häufiger als Gewinnung in größeren Tiefen oder bei höheren Temperaturen bezeichnet. Der Begriff Geothermie wird häufiger für flache Projekte und niedrige Temperaturen verwendet. Beide Begriffe werden synonym verwendet. Diese Erdwärme kann zur Energiegewinnung genutzt werden. Vor allem in vulkanischen Regionen (Island) Erdwärme in so geringer Tiefe vorkommt, dass eine Gewinnung wirtschaftlich sinnvoll ist.

Auch in den Niederlanden und Belgien ist diese Technik auf dem Vormarsch, insbesondere für die Temperaturregelung in Gebäuden und Gewächshäuser.

Eine weitere Technik zur Nutzung des Untergrunds zur nachhaltigen Energiegewinnung ist Kalt-Wärme-Speicher. Grundwasser, oft in einer Tiefe von etwa 100 m, wird aufgepumpt und im Winter als (Grund-)Heizung für Gebäude genutzt und anschließend wieder in den Boden gepumpt. Im Sommer kann das Grundwasser als Kühlung dienen. Auch weniger tief ist möglich, siehe Wärmepumpe.

Geothermie kann sowohl direkt, zum Beispiel zum Heizen und Kühlen, als auch zur Erzeugung von elektrischer Strom oder in a kombiniert Wärme und Kraft. Mit geothermische Hitze gemeint sind sowohl die wissenschaftlich-technischen Tätigkeiten mit Erdwärme als auch die wissenschaftlichen Tätigkeiten mit der thermischen Situation der Erde, Geothermie.

Herkunft der Geothermie

Geothermie stammt zu einem relativ kleinen Teil (30 %) aus der Restwärme aus der Zeit der Entstehung der Erde (Zuwachs), zum größten Teil (70%) von radioaktive Zerfallsprozesse, die seit vielen Millionen Jahren ununterbrochen Wärme in der Erdkruste erzeugen und dies auch heute noch tun. Nahezu unbedeutend sind die Anteile der Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche und durch Wärmekontakt mit der Luft.

Die Temperatur im innerer Kern wird auf 4500 °C bis 6500 °C geschätzt. 99% unseres Planeten ist wärmer als 1000 °C; 99% des Rests sind immer noch heißer als 100°C. Fast überall die Unterseite in einer Tiefe von einem Kilometer eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C (siehe auch geothermischer Tiefenmesser). Unter Spezial geologisch Bedingungen, wie in aktuellen oder ehemaligen Vulkangebieten, entstehen Geothermische Anomalien. Hier kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.

Restwärme aus der Zeit der Erschaffung der Erde

Die Erde entstand vor etwa 4,6 – 4,7 Milliarden Jahren durch Anlagerung von Angelegenheit stammen. Das Material wird dabei erhitzt, wodurch kinetische Energie wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärmeenergie ist auf die geringe Wärmeleitfähigkeit des Gesteins und damit auf die geringe Wärmeabgabe am Platz heute weitgehend im Erdinneren und kann als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung angesehen werden.

Andere Formen der Restwärme

Kann auch Restwärme als Nebenprodukt angesehen werden, das bei der Verbrennung von fossile Brennstoffe. Oft das Wärme über Kühltürme abgeleitet oder zusammen mit dem Wasser in Gräben oder Flüsse eingeleitet werden. Besser ist es, dieses Wasser oder die warme Luft zu einem Turm zu transportieren, in dem dem Wasser oder der Luft Wärme entzogen werden kann. Leider wird dies oft nicht gemacht, was dazu führt, dass viele Energie ist verloren. Da es sich um fossile Brennstoffe handelt, wird dieser Prozess nicht wirklich als energieeffizient bezeichnet. Es ist auch möglich, die Wärme während des Brennens abzuleiten Biomasse.^[2] Im Müllverbrennungsanlagen Abfall wird verbrannt und dabei Wärme freigesetzt. Dieser Prozess hat einen kleinen Effizienz, aber weil dies die Verschwendung verursacht recycelt wird, nicht wahr? nachhaltig. Es wird auch oft verwendet Brennholz Wärme zu erzeugen, was aber oft dazu führt, dass viele Pflanzen verschwinden, was schlecht für die Umgebung und daher nicht nachhaltig.^[3] Wenn dann wieder neue Bäume gepflanzt werden, führt dies nicht zu einer Reduzierung der Pflanzen und dieser Prozess ist nachhaltig.

Radioaktive Zerfallsprozesse

sehen radioaktiver Zerfall für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Dieser Anteil an der Erdwärme beruht auf dem natürlichen Zerfall der langlebigen radioaktiven Stoffe, die in der Erde vorhanden sind Isotope wie Uran-235 und -238, Thorium-232 und Kalium-40. Diese Elemente sind in der Kristallgitter bestimmter Mineralien eingebaut, z.B. in Feldspat und Glimmer im Granit. Dies ist eine natürliche Form von Kernenergie.

Es Leistung die aus dem radioaktiven Zerfall entsteht, beträgt etwa 16 10¹² Watt. Im Durchschnitt Erdbalken von 6137 km beträgt die geothermische Leistungsdichte des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,032 Watt pro Quadratmeter Erdoberfläche.

Wärmefluss aus dem Erdinneren

Die Wärme aus den tieferen Teilen der Erde ist Wärmeleitung und Konvektion in flachere Schichten transportiert, wo es verwendet werden kann.

Der Erdwärmefluss, die Leistung, die die Erde pro Quadratmeter an den Weltraum abgibt, beträgt ca. 0,063 W/m² (Wärmestromdichte). Dies ist ein relativ kleiner Wert und weist bereits darauf hin, dass Geothermie überwiegend für eine dezentrale Nutzung geeignet ist. In anormalen Bereichen, wie z vulkanisch Bereiche, die Wärmefluss um ein Vielfaches größer sein.

Aufgrund der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung nicht überwiegend die aus der Tiefe austretende Energie genutzt, sondern die bereits in der Tiefe gespeicherte Energie Erdkruste gespeicherte Energie. Dieser wird vom Erdmittelpunkt aus so langsam wieder aufgefüllt, dass die Energie an einem bestimmten Punkt bei der Entnahme erschöpft ist. Die Erdwärmenutzung muss daher so dimensioniert werden, dass die Abkühlung der betreffenden Erdteile so langsam erfolgt, dass während der gesamten Lebensdauer der Anlagen eine wirtschaftliche Wärmeausbeute vorliegt.

Klassifizierung geothermischer Quellen

Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Dabei wird unterschieden zwischen:

• Erdwärme nahe der Oberfläche für direkte Nutzung, normalerweise zum Heizen und Kühlen.
• Tiefengeothermie für direkte Verwendung aber auch für Energieerzeugung.

Außerdem zwischen hohe und niedrige Enthalpie-Sites unterscheiden. Hohe Enthalpie bedeutet, dass an solchen Stellen eine hohe Temperatur herrscht.

Tiefe Erdwärme

Je tiefer man in die Erdkruste bohrt, desto mehr steigt die Temperatur. Im Allgemeinen wird pro Kilometer Tiefe ein Temperaturanstieg von 35 °C bis 40 °C erreicht (geothermischer Tiefenmesser). Allerdings ist das geothermische Tiefenmaß regional sehr unterschiedlich. Abweichungen vom Standard werden als Wärmeanomalien bezeichnet. Besonders interessant sind Bereiche mit deutlich höheren Temperaturen. Hier können die Temperaturen in geringer Tiefe mehrere hundert Grad erreichen. Solche Anomalien sind hauptsächlich auf vulkanisch Aktivität verbunden. In der Geothermie gelten sie als Hochenthalpie-Standorte. Sie werden weltweit zur Stromerzeugung eingesetzt.

Hochenthalpie-Standorte

Die weltweite Stromerzeugung aus Erdwärme wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Standorten dominiert. Dies sind Hitzeanomalien, die mit vulkanischer Aktivität verbunden sind. Wasser (oder Dampf) von Hunderten von Grad Celsius finden Sie hier. Das Auftreten dieser korreliert stark mit der Präsenz von Vulkanen in den betroffenen Ländern.

Abhängig von den Druck- und Temperaturanforderungen können Stellen mit hoher Enthalpie mehr Dampf oder mehr Wasser dominiert sein. In der Vergangenheit wurde der Dampf nach Gebrauch an die Luft abgegeben, was zu einem erheblichen Energieaufwand führte Schwefelgestank führen könnte (Italien, Larderello). Heute werden die abgekühlten Flüssigkeiten in die Baustelle „reinjiziert“ (zurückgepumpt). Auf diese Weise werden negative Umweltauswirkungen vermieden. Gleichzeitig wird die Produktivität verbessert, wenn der Standort unter Druck gehalten wird.

Standorte mit niedriger Enthalpie

In nicht vulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr unterschiedlich sein. Werden für den Betrieb höhere Temperaturen benötigt, ist in der Regel ein Tiefbohren erforderlich. Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung sind Temperaturen über 100 °C erforderlich. Sind das in a Grundwasserleiter dann kann dieses Wasser hochgepumpt, abgekühlt und wieder eingespritzt werden. Man spricht dann von Hydrothermal Geothermie. Ist das Gestein, in dem die hohen Temperaturen zu finden sind, wenig porös Damit kein Wasser entzogen werden kann, muss Wasser durch ein künstliches Schlitzsystem zirkuliert werden. Man spricht dann von petrothermale Geothermie. Eine letzte Möglichkeit, bei der jedoch vergleichsweise wenig Energie entzogen (entzogen) wird, ist a tiefe Erdwärmesonde, wobei das Wasser nur in der Sonde zirkuliert (geschlossenes System).

Generell werden bei der tiefen Erdwärme drei Arten der Wasseraufnahme aus dem Untergrund unterschieden:

Geothermische Dublette im Gewächshausgartenbau

• Hydrothermal Systeme: im Untergrund verfügbares Warmwasser zirkuliert zwischen a Dublett von zwei Bohrungen durch natürliche Grundwasserleiter. Das heiße Wasser wird hochgepumpt und das abgekühlte Wasser wird einige Kilometer vom Einlass entfernt in denselben Grundwasserleiter zurückgeführt.
• Petrothermische Anlagen, oft auch HDR-Anlagen (huhot-dry-Rock): Mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen ('Fracking') werden in einem trockenen Untergrund Spalten und Spalten hergestellt, in denen zwischen zwei Tiefbrunnen künstlich eingebrachtes Wasser zirkuliert.
  Tatsächlich ist die Annahme, bei diesen Temperaturen und Tiefen trockene Felsformationen zu finden, falsch. Aus diesem Grund existieren für diese Methode mehrere andere Bezeichnungen: unter anderem Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) oder Verbessertes geothermisches System (EGS). Eine neutrale Bezeichnung ist petrothermal Systeme.
• Tiefe Erdwärmesonden: Das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf in einer Bohrung in einer U-Bogen- oder Koaxialsonde.

Welches Verfahren letztendlich zum Einsatz kommt, hängt von der geologischen Situation am Standort, der benötigten Energiemenge und dem gewünschten Temperaturniveau der Wärmenutzung ab.

Hydrothermale Systeme

Für die hydrothermale Geothermie werden natürlich vorkommende Warmwasservorräte, sogenannte warmwasserhaltige Bodenschichten oder Aquifere in großen Tiefen angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur nur als Wasser oder auch als Dampf möglich, in den Niederlanden und Belgien wird vorerst (2013) nur hydrothermale Geothermie genutzt. Petrothermische Anlagen befinden sich hier noch in der Forschungsphase.

Petrothermische Systeme

Gesteine ​​in größeren Tiefen weisen eine höhere Temperatur auf (Hot Dry Rock). Diese Energie kann sowohl für Dampf als auch für Wärme genutzt werden. Um die Wärme in diesen Gesteinen zu nutzen, müssen sie durch einen Wärmeträger geleitet werden, der dann die Energie an die Oberfläche bringt.Das von den heißen Gesteinsschichten erwärmte Wasser kann zur Produktion von Industriedampf und zur Einspeisung lokaler und Fernwärmenetze. Besonders interessant ist die Stromerzeugung aus dem heißen Dampf. Dazu wird das im Untergrund erwärmte Wasser zum Antrieb einer Turbine genutzt. Der geschlossene Kreislauf im Kreislauf wird so beaufschlagt, dass ein Sieden des gepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst in der Turbine entsteht.

Das heiße Gestein in der Tiefe wird durch Bohrungen erreicht. Es gibt mindestens eine Gewinnungsbohrung und eine Verpressbohrung, die durch einen geschlossenen Wasserkreislauf verbunden sind: Zu Beginn wird Wasser unter ausreichend erhöhtem Druck in das Gestein gepresst (hydraulische Stimulation); dies öffnet oder verbreitert vorhandene Fließwege und erhöht so die Durchlässigkeit des Gesteins. Dieser Vorgang ist notwendig, da sonst die Wärmeaustauschfläche und die Durchlässigkeit zu klein werden.Das so entstandene System aus natürlichen und künstlichen Spalten bildet einen unterirdischen Erdwärmetauscher. Die Injektions-/Injektionsbohrung drückt Wasser in das Spaltsystem, wo es zirkuliert und sich erwärmt. Durch die zweite Bohrung, die Förder-/Absaugbohrung, wird es dann wieder an die Oberfläche gebracht. In der Schweiz wird diese Technik bereits angewendet.

Tiefe Erdwärmesonden

Die tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur geothermischen Wärmerückgewinnung. Es besteht aus einer 2000 bis 3000 m tiefen Bohrung, in der eine Flüssigkeit zirkuliert. In der Regel wird die Flüssigkeit in ein koaxiales Rohr gefüllt: In einem dünnen Innenrohr fließt die kalte Flüssigkeit nach unten, in dem größeren Außenrohr steigt die erhitzte Flüssigkeit wieder auf. Gegenüber offenen Systemen haben solche Wärmesonden den Vorteil, dass kein Kontakt mit dem Grundwasser besteht. Sie sind an jedem Ort verfügbar. Ihre Förderleistung hängt neben technischen Parametern von der Temperatur des Gebirges und der Leitfähigkeit des Gesteins ab. Sie kann jedoch nur wenige hundert Kilowatt betragen und wird deutlich kleiner ausfallen als bei einem vergleichbaren offenen System. Denn die Wärmeaustauschfläche mit dem Gebirge ist sehr klein, da sie praktisch auf den Umfang des Bohrlochs beschränkt ist.

Tiefe Erdwärmesonden wurden eingebaut Aachen (Universität) und Arnsberg (Freizeitbad Nass).

Alternativ zur Wasserumwälzung (ggf. mit Zusätzen) in der Erdwärmesonde, Sonden mit Direktverdampfer (Wärmerohre oder Englisch Wärmerohre) werden verwendet. Als Wirkstoff entweder eine Flüssigkeit mit ausreichend niedrigem Siedepunkt verwendet werden, oder eine Mischung aus, zum Beispiel Ammoniak und Wasser. Eine solche Sonde kann auch mit Druck beaufschlagt und dann z. B. mit Kohlendioxid werden verwendet. Heatpipes können eine höhere Aufnahmekapazität aufweisen als herkömmliche Sonden, da sie über ihre gesamte Länge die Verdampfungstemperatur des Wirkstoffs aufweisen können.

Erdwärme nahe der Oberfläche

Die Temperatur der Luft schwankt das ganze Jahr über stark. Die oberen Schichten der Erdböden variieren jedoch nicht oder sind sehr stark gedämpft. Mathematisch folgt der Temperaturverlauf einer gedämpften harmonischen Schwingung. In einer Tiefe von 5 bis 10 m entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch dem Jahresmittel des Standorts.

Durch Erdwärmesonden (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah im Erdreich eingebaute Systeme), aber auch bei erdgebundenen Betonbauteilen wird die Wärme an die Oberfläche gebracht. Normalerweise werden Wärmepumpen verwendet, um Wärmeanwendungen für Gebäude zu realisieren. Erdwärme kann aber auch im Sommer zur Kühlung genutzt werden. Wir können auch Erdwärmekörbe verwenden, um Wärme aus den obersten 5 Metern der Erde zu extrahieren.

Erdwärme aus Bergwerken

Grubenwasserprojekt Heerlerheide

Minen und Erdgasfelder, die wegen Erschöpfung der Vorräte stillgelegt werden, sind potenzielle Tiefengeothermie-Projekte. In eingeschränktem Sinne gilt dies auch für tiefe Tunnelbau. Je nach Tiefe des Standorts sind die betreffenden Formationswässer 30 bis 120 °C heiß, die Bohrungen oder Schächte sind oft noch vorhanden und können das Warmwasser am Standort für die Geothermie nutzen. Im Heerlen (Niederländisch-Limburg) wurden fünf Bohrungen vom Boden bis zu den alten durchgeführt Minen des ehemaligen Kohlebergwerks Oranien-Nassau III. Das gepumpte Wasser wird zur Speisung eines Wärmenetzes für Gebäude verwendet. Solche Geothermie-Erzeugungsanlagen müssen so installiert werden, dass die oft geltenden gesetzlichen Vorschriften zur Sicherheit stillgelegter Bergwerke dauerhaft eingehalten werden.

Saisonale Wärmespeicherung

Geothermie ist immer verfügbar, unabhängig von Tages- und Jahreszeit und unabhängig vom Wetter. Eine Anlage funktioniert jedoch optimal, wenn sie über die Zeit homogen genutzt wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn im Winter geheizt und im Sommer gekühlt wird und die dafür benötigten Energiemengen in etwa gleich sind. Bei der Kühlung im Sommer wird der Speicher aufgeheizt und somit seine Regeneration durchgeführt. Diese Funktion wird verstärkt, wenn die Erdwärme mit anderen Installationen, wie z. B. Solaranlagen, kombiniert wird. Solarthermie stellt vor allem im Sommer Wärme zur Verfügung, benötigt dann aber weniger Wärme. In Kombination mit Erdwärme kann diese Wärme im Sommer im Untergrund gespeichert werden Wärmespeicherung gespeichert und im Winter wieder an die Oberfläche gebracht. Die Verluste sind je nach Standort meist gering.

Die saisonale Lagerung kann oberflächennah oder tief erfolgen. Eine sogenannte Hochtemperaturlagerung (> 50 °C) ist jedoch erst in größeren Tiefen denkbar. Es Reichstagsgebäude im Berlin hat einen solchen Speicher, zum Beispiel.

Nutzung von Erdwärme

Geothermie ist eine unerschöpfliche erneuerbare Energiequelle.^[4] Grundsätzlich kann der weltweite Energieverbrauch mit den auf unserem Planeten gespeicherten Vorräten gedeckt werden.

Bei der Nutzung von Erdwärme wird unterschieden zwischen direkte Verwendung, also die Nutzung der Wärme selbst und die Nutzung nach der Verstromung in einem Geothermiekraftwerk. Aus Sicht der Effizienzoptimierung, a kombiniert Wärme und Kraft (BHKW) ideal. Das Problem sind hier die Verbraucher der Wärme. Abnehmer für die Wärme findet man nicht an jedem Standort, an dem sich ein Kraftwerk befindet. Die Umstellung auf ausschließlich KWK-Projekte bleibt ein Traum.

Direkte Nutzung

Geothermie wird seit über 10.000 Jahren genutzt. Es wird angenommen, dass unsere Vorfahren geothermisches Wasser zum Kochen, Baden und Heizen verwendet haben.

Alte balneologische Nutzungen sind die Bäder aus der Römerzeit, dem mittelalterlichen China und den Osmanen. Im Chaudes-Aigues in Zentralfrankreich ist das erste historische geothermische Fernwärmenetz, dessen Anfänge bis in die vierzehntes Jahrhundert geht zurück.

Wärme wird heute vielfältig genutzt (Wärmemarkt). Eine klassische Darstellung der hierfür benötigten Temperaturen ist die Lindaldiagramm (Balder Lindal, 1918-1997):

Für die meisten Anwendungen sind nur relativ niedrige Temperaturen erforderlich. von tiefe Erdwärme die benötigten Temperaturen können oft sofort zur Verfügung gestellt werden. Reicht dies nicht aus, kann die Temperatur Wärmepumpen erhöht werden, wie es normalerweise bei Erdwärme nahe der Oberfläche das passiert; hier sind nur wenige Anwendungen ohne Wärmepumpe möglich. Die wichtigste davon ist die natürliche Kühlung, wobei Wasser auf die Temperatur des Untergrundes bzw. Jahresdurchschnittstemperatur gebracht und dann direkt zur Kühlung des Gebäudes verwendet wird. Diese natürliche Kühlung hat das Potenzial, weltweit Millionen elektrisch betriebener Klimaanlagen zu ersetzen. Derzeit wird es jedoch wenig genutzt.

Eine weitere direkte Verwendung ist die eisfrei halten von Brücken und Straßen. Auch hier wird keine Wärmepumpe benötigt, der Speicher wird im Sommer regeneriert, indem die Wärme von der warmen Fahrbahn abgeführt und gespeichert wird. Dazu gehört auch, Wasserleitungen frostfrei zu halten; die im boden gespeicherte wärme sorgt dafür, dass er im winter nur in geringer tiefe gefriert.

Vor der Verwendung von Hitze von tiefe Erdwärme geeignet sind die mittelwarmen Tiefengewässer mit Temperaturen zwischen 40 und 100 °C, die vor allem in den süddeutschen Gewässern liegen Melassebecken, in dem Oberrheintal und in Teilen der Norddeutsche Tiefebene Aussehen. Das warme Wasser wird in der Regel über einen Förderbrunnen aus 1000 bis 2500 Metern Tiefe an die Oberfläche gebracht. Dieser gibt den Hauptteil seiner Wärmeenergie durch a Wärmetauscher zu einem zweiten, sekundären Warmwasser-Zirkulationssystem. Nach dem Abkühlen wird es dann über ein zweites Bohrloch wieder in den Untergrund gepresst, zurück in die Schicht, aus der es stammt.

Energieerzeugung

Die erstmalige Nutzung von Erdwärme zur Stromerzeugung war in Larderello im Toskana. 1913 Graf Piero Ginori Contic baute ein Kraftwerk, in dem wasserdampfbetriebene Turbinen eine Leistung von 220 kW erzeugten. Heute werden rund 400 MW in das italienische Energienetz eingespeist. Unter Toskana, Nordafrika und Eurasien Teller einander, was zu Magma relativ nahe an der Erdoberfläche gelegen. Dieses heiße Magma erwärmt den Boden so, dass eine wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme möglich ist.

Die hydrothermale Stromerzeugung erfordert Wassertemperaturen von mindestens 100 °C. Hydrothermale Anlagen, bei denen Temperaturen über 150°C auftreten, können direkt zum Antrieb von Turbinen verwendet werden. Diese Temperaturen sind jedoch längst nicht überall verfügbar. So wurde vielerorts ausschließlich Geothermie zur Beheizung von Gebäuden genutzt. Dies ist auch in den Niederlanden der Fall. Neu entwickelt "Organischer Rankine-ZyklusAnlagen (ORC) hingegen machen Temperaturen ab 80 °C für die Stromerzeugung geeignet. Diese arbeiten mit einem organischen Medium, das bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft. Dieser Dampf treibt über eine Turbine den Stromerzeuger an. Eine Alternative zum ORC-Verfahren ist das Kalina-Zyklus. Als Wirkstoffe werden hier Mischungen zweier Stoffe, beispielsweise aus Ammoniak und Wasser, verwendet. Für Kleinleistungsanlagen (< 200 kW), motorbetriebene Anlagen wie Stirling-Motoren denkbar. Erdwärme eignet sich für Grundsteuer am Netz zu betreiben.

Die Stromerzeugung aus Geothermie findet traditionell in Ländern statt, die Orte mit hoher Enthalpie in denen in relativ geringer Tiefe (< 2000 m) Temperaturen von Hunderten von Grad herrschen. Je nach Druck und Temperatur können die Standorte wasser- oder dampfdominiert sein. Bei modernen Absaugtechniken werden die abgekühlten Flüssigkeiten wieder eingespritzt, so dass praktisch keine negativen Umwelteinflüsse wie Schwefelgeruch auftreten.

Geothermie weltweit

Installierte geothermische Kapazität pro Land (2018)

Geothermie ist eine wichtige nachhaltige Energiequelle. Einen besonderen Beitrag zur Nutzung leisten die Länder mit Hochenthalpie-Standorten. Zudem kann der Anteil der Geothermie an der Gesamtenergieversorgung eines solchen Landes beispielsweise erheblich sein Geothermie in Island.

Direkter Einsatz international

International wird der Großteil der Energie aus Geothermie direkt als Wärme genutzt. Die Kapazität der direkt genutzten Geothermie betrug im Jahr 2010 50,8 GW. Nicht immer wird die gesamte Kapazität genutzt; manchmal ist ein Kraftwerk wegen Wartungsarbeiten ausgefallen. Der prozentuale Anteil des Stroms, der im Jahresdurchschnitt zur Energieerzeugung verwendet wird, beträgt Belegungsrate erwähnt. Das sind etwa 30 % für Wärmeenergie aus Geothermie.^[6]

Die Tabelle zeigt Länder mit einem Energieumsatz von mehr als 5000 TJ/Jahr.

Besonders auffällig sein Schweden und Island. Schweden ist geologisch benachteiligt, hat diesen hohen Anteil an erneuerbarer Energie für Heizzwecke aber durch konsequente Politik und gute Öffentlichkeitsarbeit erreicht.

Auch in Island der verbrauch dieser energie hat einen wichtigen anteil an der energieversorgung des landes (ca. 16%). Auf diesem Gebiet ist das Land heute weltweit führend.

Geothermie wird an vielen Orten in Deutschland genutzt. Zu Stuttgart wird die Außenwand des U-Bahn untersucht, um Erdwärme zu absorbieren.^[7]

Internationale Stromerzeugung

Die Stromerzeugung aus Geothermie konzentriert sich traditionell auf Länder mit Hochenthalpiestandorten (meist vulkanische Gebiete). In Ländern, in denen dies nicht möglich ist, wie beispielsweise in den Niederlanden, kann Strom bei relativ niedrigen Temperaturen, etwa 100-150°C, erzeugt werden, oder man muss tief bohren. Die Nutzung der Geothermie zur Stromerzeugung boomt derzeit weltweit. Die installierte Leistung im Jahr 2010 betrug: 10,7 GW und es wurden 67.246 GWh/a elektrische Energie erzeugt. Bei Strom aus Geothermie liegt die Auslastung weltweit im Durchschnitt bei ca. 75 %.

Es gibt sechs Länder, die mehr als 10 % ihres Stroms aus Geothermie beziehen. 0,07 % des weltweiten durchschnittlichen Stromverbrauchs stammen aus Geothermie.^[6]

Bislang werden Standorte mit niedriger Enthalpie weltweit wenig genutzt. Ein Versuchskraftwerk ist jedoch seit über 100 Jahren in Betrieb Larderello (Italien bei Siena), während auch in San Francisco (USA) Geothermie genutzt wird. Sie werden in Zukunft an Bedeutung gewinnen, da diese Nutzungsform überall möglich ist und keine besonderen Anforderungen an die geologische Situation stellt. In Deutschland wurde 2003 die erste Anlage dieser Art in Betrieb genommen, die Geothermie-Kraftwerk Neustadt-Glewe. Derzeit (2013) zeichnen sich in den Niederlanden und Belgien Entwicklungen im Bereich der Stromerzeugung ab.

Zwischen 2005 und 2010 hat die Nutzung von Geothermie zugenommen. Die genauen Zahlen finden Sie in der Tabelle.

Bezogen auf den Pro-Kopf-Verbrauch Island derzeit Spitzenreiter mit 200 MW_e Installierter Strom (Geothermie in Island). Die Vereinigten Staaten. von Amerika hingegen mit einer installierten Leistung von 2000 MW_e sogar vorher Indonesien.

Situation in den Niederlanden

Geothermie Den Haag

Erdwärme Pijnacker

Bohrung Honselersdijk

In den Niederlanden hat sich die tiefe Geothermie in den letzten Jahren relativ schnell entwickelt. Im Jahr 2007, in Heerlerheide das Minewater-Projekt abgeschlossen (fünf Bohrlöcher mit der größten Tiefe von 700 Metern). Dieses Projekt ist im Wesentlichen eine Zwischenform der Wärme-Kälte-Speicherung (WKO) und der tiefen Geothermie. 2008 wurde das erste Dublett für den direkten Gebrauch für ein Gewächshaus für den Gartenbau gebohrt (1.600 Meter, Bleiswijk). 2009 wurde das zweite Gartenbauprojekt gebohrt (1.800 Meter, Lansingerland). Im Jahr 2010 in Den Haag Der Brunnen wurde für das erste Fernwärmeprojekt (2.300 Meter) fertiggestellt, aber dieses Projekt ging 2013 in Konkurs.^[8] Und ein Brunnen wurde auch gebohrt Pijnacker, die ein Gewächshaus sowie einige Gebäude (1.900 Meter, Stadtteilgebäude, Schwimmbad) mit Wärme versorgt. 2011 wurde in Pijnacker (Gewächshausgartenbau, 2.300 Meter) ein zweites Dublett gebohrt und in IJsselmuiden (ca. 1.900 Meter). Auch bei den letzten vier Bohrungen wurden geringe Mengen Erdgas und/oder Öl im Wasser gefunden. Die späteren Bohrlöcher in den Niederlanden haben diese "Beifänge" von Kohlenwasserstoffen in ihrer Konstruktion und ihren Sicherheitsmerkmalen berücksichtigt. Ende 2011 wurden zwei neue Bohrungen für den Gewächshausgartenbau begonnen (Grubbenvorst und Honselersdijk^[9]). Honselersdijk war 2012 die tiefste Quelle (2.900 Meter) und die Kapazität betrug 10 MW_das auch höher als die vorherigen Bohrungen. In Grubbenvorst (2.600 Meter) wurde ein Drilling gebohrt. 2013 wurden zwei Projekte gestartet, das erste bei Floricultura in Heemskerk und bei Agriport A7 in Middenmeer (beide Provinz Nordholland). 2014 wurde das Projekt Geothermal De Lier abgeschlossen, 2015 wurden Bohrungen für das Geothermieprojekt Vierpolders durchgeführt und mit dem Nature's Heat Projekt in Kwintsheul (Westland) wurde begonnen. Die Geothermie-Plattform sammelt und veröffentlicht Informationen zu diesen Projekten.^[10]Es gibt viele Pläne für die Realisierung von Geothermieprojekten in der Gewächshausgartenbau. In den Niederlanden gibt es viele Standorte mit niedriger Enthalpie, an denen die Temperatur unter Ostfriesland relativ hoch ist, etwa 95 Grad Celsius. Außerdem finden wir im Norden von . einen warmen Untergrund vor Groningen, Nordholland und der Westen Wattenmeer, Süd-OstDrenthe, das hintere Ecke, das Veluwe, Voorne-Putten und nördlichLimburg. Die meisten Genehmigungsanträge für neue Bohrungen zielen jedoch auf Süd-Hollandwo ein hoher Wärmebedarf besteht. Die Lage im Westliches niederländisches Becken wird jedoch zum Beifang von Erdgas und Öl führen. Die Stromerzeugung befindet sich noch in der Forschungsphase.

Im April 2011 hat das Ministerium für Wirtschaft, Landwirtschaft und Innovation den Geothermie-Aktionsplan mit seiner Vision zur Tiefengeothermie veröffentlicht.^[11]Ab 2012 wird im Rahmen der Nachhaltigen Energiestimulation (SDE) mit einem Beitrag von ca. 5 bis 6 Euro pro GigaJoule (1,5 bis 2 Cent pro kWh) für nachhaltig erzeugte Wärme aus Erdwärme eine Vergütung gewährt.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bohrloch nicht das erwartete Ergebnis liefert (sogenannte Fehlbohrungen), ist ein Hindernis für Investitionen in Geothermieprojekte. Um diese nachhaltigen Projekte zu fördern, wurde ein Garantiesystem zur Absicherung von Fehlbohrungen entwickelt, die sogenannte Nationale EZ-Subventionsverordnung (RNES, ehemals SEI). Voor het boren wordt een premie betaald (7% van het maximale subsidiebedrag) en indien de resultaten van de put(ten) tegenvallen, wordt een financiële uitkering toegekend.^[12] Indien men gebruik wil maken van de regeling moet men in het bezit zijn van een opsporings- of winningsvergunning, een financieringsplan en een locatie specifiek geologisch onderzoek opgesteld door een ISO 9001 gecertificeerde onderneming.

Geothermie is daarmee een van de goedkoopste opties voor de productie van duurzame energie in Nederland. Per eind 2015 was circa 125 MWth aan capaciteit opgesteld. De jaarproductie bedroeg 2.500 TeraJoule (2015). Zowel de aantallen bronnen als de capaciteit van de bronnen vertonen een stijgende trend.^[13]

Wegens een tweede aardbeving met een kracht van 2.0 op de schaal van Richter werden de werkzaamheden in Grubbenvorst op 6 september 2018 gestaakt. Dit was als randvoorwaarde opgenomen in de exploitatievergunning.^[14]

Situatie in België

In België liggen de watervoerende lagen vooral in de provincies Antwerpen en Limburg. Er wordt ook gestudeerd op het gebruik van oude mijnschachten voor dit doel. Op dit moment zijn in België slechts enige kleinere installaties in bedrijf. Ook neemt de interesse in diepere systemen toe – en wordt onderzoek verricht naar geothermische bronnen voor elektriciteitsproductie. In Saint-Ghislain^[15] werkt een systeem met een artesische put. VITO wil op de site van Balmatt te Mol aardwarmte aanboren voor verwarming van het SCK en NIRAS.^[16]

In de jaren tachtig begon men in België voor het eerst te boren naar warmwaterbronnen. Deze proefboringen vonden plaats in de Kempen en in de regio in de buurt en rond Mons, Mol en Bergen. Toch maakte men toen en nu nog steeds weinig gebruik van aardwarmte, omdat de olieprijs rond de jaren vijfentachtig tot negentig daalde. Rond Mons zijn er nu nog steeds boringen aan de gang maar in de andere gebieden zijn de boringen grotendeels niet meer actief. Dit geothermisch systeem voorziet enkele scholen, serres, huizen en een sportcomplex van warmte. In België is gebruiken van aardwarmte op sommige manieren een beter economisch alternatief dan andere vormen van energie of verwarming. Geothermie wordt steeds populairder door de stijgende aandacht naar duurzamere energie.^[17] VITO (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek)^[18] doet sinds 2005 onderzoek naar ondiepe opslagsystemen voor geothermische energie met of zonder warmtepompen. Deze worden uitgevoerd in het Spin-offbedrijf Terra Energy. Naast onderzoek heeft dit bedrijf nog vele andere functies, waaronder het geven van beleidsondersteuning voor overheden en bedrijven.^[19] VITO werkt samen met andere onderzoeksgroepen en krijgt zo een algemeen beeld over de geothermie in België en vooral in Vlaanderen.^[17]Een van de proefboringen was de proefboring in Mol in februari 2016. Bij deze proefboring werd snel duidelijk dat er onder het aardoppervlak een grote hoeveelheid aardwarmte zit die op een gemakkelijke en relatief ecologische manier naar boven kan gehaald worden. Er werd stoom gevonden met een temperatuur die tot 138 graden ging, bevestigde de VITO-directeur Dirk Fransaer. De putten die ze daar zouden kunnen maken zouden 800 megawatt kunnen bereiken. Hiermee kan men negenhonderdduizend inwoners voorzien van warmte. Door deze warmtevoorziening zou de buitenlandse energie niet meer zo sterk nodig zijn. Dat zou zorgen voor een sterke vermindering in de CO₂-uitstoot. Deze investeringen zouden de eerste 20 jaar voor maar 120 euro per maand kosten. De klimaatdoelstellingen die opgelegd zijn door de Europese Unie zouden daardoor (voor een deel) vervult kunnen worden.^[20] Op 21 januari 2019 maakte het gemeentebestuur van Mol kenbaar dat het project "voorlopig wordt stopgezet" omdat de geothermische centrale na de derde boring nog steeds onvoldoende vermogen biedt. Nieuwe verkavelingen krijgen nog wel de infrastructuur om op de geothermische centrale aangesloten te worden, maar het gemeentebestuur gaat in onderhandeling met Fluvius om deze huizen op aardgas aan te sluiten voor onbepaalde termijn.^[21] Verder erkent VITO dat de kleine aardbevingen in de gemeente Dessel een rechtstreeks gevolg zijn van hun geothermiecentrale en dat dit verder onderzocht dient te worden.^[22] Op 23 juli 2019 ontstond door deze boringen een aardbeving van 2,1 op de schaal van Richter. VITO erkent dat zij niet hadden verwacht dat aardbevingen van dergelijk kaliber zouden ontstaan.^[23][24]

De eerste geothermische put van België werd in Bergen in Henegouwen geboord. Dit gebeurde in de negentiende eeuw. Later werd er nog een boring in de buurt opgestart, in Saint-Ghislain. Die boring was 2,5 km diep waar water van 73 °C wordt uitgepompt. De Belgische Geologische Dienst voerde en voert nog steeds deze boringen uit. Deze warmte is bewaard gebleven door de laag kalksteen errond. Het water wordt eerst gebruikt om woningen en stadsgebouwen en enkele serres van warmte te voorzien. Daarna wordt het koud water afgevoerd en gezuiverd in een waterzuiveringsstation. In de Kempen heeft de geothermie het meeste kans, want er zit daar een Kolenkalklaag onder de grond, die het water warm houdt. Op zo’n 3,5 km diepte vond men heet water. De warmte wordt uit het water onttrokken in de boortoren door middel van hoogtechnologische processen. Daarna wordt het water terug in de aarde gepompt en kan het terug opgewarmd worden door de aarde. De aardwarmte zorgt ervoor dat het water automatisch opstart. Het boormateriaal is zeer sterk, omdat het bestand moet zijn tegen een hoge druk.In Mol wordt er ook stroom gewekt door een stroomturbine die werkt op dit opgepompt water. Ook in Limburg zit op zo’n 2,9 km een Kolenkalklaag, ook bekend als blauwe hardsteen, met daarin heet water. In 2050 wil VITO in totaal 80 geothermiecentrales gebouwd hebben. Deze zouden er dan voor zorgen dat 800 000 woningen warmte krijgen.^[25]

Economische aspecten

Het gebruik van de overal voorhanden zijnde aardwarmte was tot nog toe niet economisch rendabel. Immers zowel de warmtestroom, met ~0,06 W/m², als de temperatuurstijging, met ~3 °C/100 m, is in de toegankelijke delen van de aardkorst, afgezien van bijzondere locaties, gering en de energieprijzen zijn laag. De bewustwording van het CO₂-probleem en de uitputting van de fossiele brandstoffen binnen afzienbare tijd hebben geleid tot een sterkere verkenning en ontwikkeling van aardwarmtetechnologie.

Gezien de eigenlijke energie, de aardwarmte, kosteloos is, wordt de economische levensvatbaarheid van een aardwarmtetoepassing bovenal door de investeringskosten en de onderhoudskosten van de installatie bepaald. Toch is het aardwarmteproject van Den Haag failliet gegaan door tekort aan afnemers.^[26] Een project voor boring tot 4 km door Flora Holland, Westland Infra en HVC is opgegeven omdat de business case door verminderde subsidie onrendabel is gebleken.^[27] Bij het project in Unterhaching moet de gemeente elk jaar 4 miljoen euro financieel verlies bijpassen.^[28]

Risico's

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  Scheuren in gebouwen te Staufen im Breisgau, indirect gevolg van geothermische boringen

Door sedert plusminus 2007 opgetreden schade op locaties, waar geothermische boringen plaatsvinden, is intussen meer bekend geworden over de risico's. Met name in Duitsland hebben zich al enkele ernstige situaties voorgedaan. In het stadje Staufen im Breisgau (deelstaat Baden-Württemberg) is voor vele miljoenen euro's schade aan gebouwen ontstaan, doordat tijdens het boren contact gecreëerd werd tussen het grondwater en een daarboven liggende laag anhydriet. Dit gesteente nam het grondwater op, zette uit^[29] en drukte de aardlagen erboven, inclusief het stadje, omhoog. Dit had in Staufen geleidelijk steeds groter wordende en deels onherstelbare scheuren in gebouwen tot gevolg. Soortgelijke verschijnselen zijn, zij het op (veel) kleinere schaal, ook op circa tien plaatsen elders in Duitsland waargenomen.

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