Einteilung von Geothermieanlagen

Die vorliegende Temperatur im Erdreich ist maßgeblich von der Tiefe abhängig. Während das Temperaturniveau in Bereichen bis zu 25 m unterhalb der Oberfläche nahezu ausschließlich durch Sonneneinstrahlung und Sickerwässer bestimmt wird, ist dieser Effekt in größeren Tiefen nicht mehr zu verzeichnen. Hier spielt zum einen der Wärmetransport aus dem deutlich wärmeren Erdinneren, zum anderen der radioaktive Zerfall von Isotopen innerhalb der Erdkruste eine bedeutende Rolle. Dadurch erfolgt eine Temperaturzunahme gemäß dem geothermischen Gradienten deutschlandweit von 3-4 K pro 100 m Tiefe [1]. In 400 m Tiefe wird somit eine Temperatur von durchschnittlich etwa 20 °C erreicht. In Tiefen von mehreren Kilometern herrschen deutlich höhere Temperaturen, mithilfe derer auch Kraftwerksprozesse zur Stromerzeugung betrieben werden können. Aufgrund von geologischen Anomalitäten und damit von dem oben benannten Gradienten abweichenden Temperaturen existieren Gebiete auf der Erde, die für eine geothermische Nutzung besonders geeignet sind. Je nach Tiefe des genutzten Wärmereservoirs wird bei der Erdwärmenutzung zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie unterschieden.

Abb. 1: Darstellung der Größenverhältnisse von oberflächennaher und tiefer Geothermie (Grafik: TU Bergakademie Freiberg)

Oberflächennahe Geothermie

Geothermisch genutzte Bereiche bis zu 400 m Tiefe werden im Allgemeinen als oberflächennahe Geothermie eingestuft. Die hier vorliegenden Temperaturen betragen üblicherweise von 8 °C bis zu 15 °C, in größeren Tiefen auch bis zu etwa 25 °C. Das Temperaturniveau erfordert zur Beheizung von Gebäuden deshalb den Einsatz von Wärmepumpen, um eine nutzbare Temperatur von 30 – 60 °C zu erzielen. Ein Einsatz zu Kühlzwecken ist hierbei auch ohne Wärmepumpe (passive Kühlung) oder mithilfe von Wärmepumpentechnik (aktive Kühlung) möglich. Die nutzbare Wärmemenge ist vor allem von der Temperatur und damit von der Tiefe abhängig. Bei der Nutzung von geschlossenen Systemen ist die Wärmeleitfähigkeit und damit die Art des umgebenden Gesteins von großer Bedeutung. Werden Grundwässer in offenen Systemen für die Energiebereitstellung genutzt, ist die entnehmbare Wassermenge entscheidend. Besondere Bedeutung fällt der Temperaturänderung des Bodens aufgrund der Erdwärmenutzung zu. Die dem Erdreich zu entziehende Wärmemenge ist von der thermischen Regeneration von Boden und Gestein bzw. des Grundwassers abhängig. Gesetzliche Festlegungen in Abhängigkeit des Bundeslandes geben hierbei vor, wie stark sich die Untergrundtemperatur mit der Zeit ändern darf. Wichtig ist dies für den neben dem Ablauf von natürlichen Prozessen im Erdreich auch für die geothermische Nutzung in der Nachbarschaft, da sich angrenzende Anlagen unter Umständen beeinflussen können. Für eine sinnvolle und zielführende Geothermienutzung ist hierzu eine Erfassung sämtlicher Anlagen und Wärmeentzugsleistungen von zentraler Bedeutung.

Tiefe Geothermie

Bei Anlagen, deren Bohrungen über 400 m ins Erdreich führen, wird von tiefer Geothermie gesprochen. Die derzeit tiefste Bohrung zur tiefengeothermischen Anwendung beträgt ca. 6400 m (Finnland) [2]. Die vorherrschenden Temperaturen betragen entsprechend des geothermischen Gradienten üblicherweise ab 80 bis über 200 °C. Auf diesem Temperaturniveau kann die gewonnene Wärme mit Hilfe von Dampfkraftanlagen entweder in elektrischen Strom gewandelt oder direkt in einer Wärmeanwendung genutzt werden. Für die Umandlung in elektrischen Strom werden je nach Temperatur Wasserdampfturbinen oder Anlagen mit organischen Prozessmedien (Organic Rankine Cycle) - oder Kalina-Anlagen (Wasser-Ammoniak-Gemische) eingesetzt.  Eine Energiegewinnung wird entweder im Festgestein (Hot-Dry-Rock-Verfahren bzw. petrothermale Lagerstätte) oder durch tiefe Grundwasserleiter (hydrothermale Lagerstätte) realisiert.

 

Grubenwasser

Eine Sonderform, welche sich nicht durch die allgemeingültige Einteilung in oberflächennahe und tiefe Geothermie klassifizieren lässt, ist die geothermische Nutzung von Bergwerkswässern. Je nach Lagerstätte und Bergwerksstruktur sind Teufen in Bereichen weniger Meter bis hin zu mehreren Tausend Metern erschlossen. Die durch den Menschen geschaffenen Hohlräume im Gestein, welche nach Stilllegung ganz oder teilweise wasserverfüllt sind, ermöglichen eine besondere Form der Erdwärmenutzung. Durch das künstlich hergestellte System von Abbauen, Stollen und Schächten entsteht eine große wärmeübertragende Fläche, wodurch eine große Wärmemenge vom Gestein an das Grubenwasser übertragen werden kann. Hiermit steigt die thermische Regeneration des Wasserkörpers. Durch bekannte Grubenrisse bzw. eine teilweise Gewährleistung der Begehbarkeit ist das Fündigkeitsrisiko der Wässer verglichen mit der klassischen Geothermie gering. Weiterhin können bestehende Bergwerksstrukturen genutzt werden, um das geothermische Potenzial zu erschließen [3].

Anwendungsmöglichkeiten

Abb. 2.: Nutzungsmöglichkeiten in Abhängigkeit der erforderlichen Vorlauftemperatur (Grafik: TU Bergakademie Freiberg)

Systeme

Prinzipiell werden zwei Arten von Systemen unterschieden, um Erdwärme nutzbar machen können: Dies sind zum einen offene und zum anderen geschlossene Systeme. Bei offenen Systemen wird Grundwasser in einem Förderbrunnen entnommen, zur Energiebereitstellung mithilfe von Wärmeübertragern abgekühlt oder erwärmt und anschließend über einen Schluckbrunnen bzw. oberflächlich an die Umgebung entlassen. In einem anschließenden, geschlossenen Zwischenkreislauf wird die Wärme auf ein Kältemittel übertragen bzw. von diesem entzogen. Bei geschlossenen Systemen hingegen zirkuliert ein Wärmeträgerfluid bzw. Kältemittel in einem stofflich vom Erdreich getrennten System.

Es existieren verschiedene technische Varianten der Nutzbarmachung der Erdwärme:

Offene Systeme

  • Brunnen/ Dublettensysteme  zur Nutzung von oberflächennahen Grund- oder Grubenwässern, hydrothermalen sowie Petrothermalen Lagerstätten (Hot-Dry-Rock)

Literatur

[1] Tholen M. und Walker-Hertkorn S. (2008) Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[2] Bundesverband Geothermie Pressemitteliung: Weltrekord: Deutsches Bohrunternehmen schließt tiefste Bohrung zur Energienutzung ab (25.04.2018). Verfügbar unter https://www.geothermie.de/fileadmin/user_upload/Aktuelles/Presse/Pressemitteilungen/Pressemitteilungen_2018/PM_20180425_Weltrekord_Bohrung_Finnland.pdf , zuletzt aufgerufen am 24.01.2019
[3] Grab T., Storch T., Groß U. (2018) Energetische Nutzung von Grubenwasser aus gefluteten Bergwerken. In: Bauer M., Freeden W., Jacobi H., Neu T. (Hrsg.) Handbuch Oberflächennahe Geothermie. Springer Spektrum, Berlin, S. 523–586