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GEOTHERMISCHE ENERGIE


Nach einer kurzen geschichtlichen Übersicht beschreibe ich das Potential dieser Energieform und präsentiere anschließend eine entsprechende Länderübersicht in mehreren Teilen. Am Ende werden die Grenzen der Nutzung dieser Energie aufgeführt – ein Inhaltsverzeichnis erübrigt sich daher.

Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde. Pro Liter Erdinnenraum sind im Mittel 2,6 kWh Energie gespeichert. Oder anders ausgedrückt: 99 % der Planetenmasse sind wärmer als 1.000°C. Der Wärmeinhalt der Erde würde den heutigen Weltenergiebedarf für 30 Millionen Jahre decken. Bemerken tun wir sie besonders in Ausnahmefällen ... bei Geysiren, Lavaströmen und Vulkanausbrüchen.

Diese Energie wird seit Jahrtausenden gezielt verwendet, wie durch mündliche Überlieferung und Geschichtsschreibung bekannt ist.

Schon die ‚frühen’ Menschen haben geothermisches Wasser, das in natürlichen Becken und heißen Quellen auftrat, vermutlich zum Kochen und Baden benutzt – und um sich warm zu halten. Es gibt archäologische Beweise dafür, daß amerikanische Indianer die Orte an diesen geothermischen Quellen seit mehr als 10.000 Jahre benutzten. Und auch die geschriebene Geschichte zeigt, daß geothermische Ressourcen von Römern, Japanern, Türken, Isländern, Zentraleuropäern und den Maoris in Neuseeland zum Baden, Kochen und als Heizung verwendet wurden.

Beispiele für solch frühe Nutzungen sind das geothermische Wasser der heißen Quellen von Huaquingchi in China, wo vor ca. 2.000 Jahren ein Bade- und Behandlungszentrum in der Qin-Dynastie gebaut wurde, wie auch die heißen Quellen von Ziaotangshan bei Peking, die etwa 800 Jahre lang von der kaiserlichen Familie und hohen Würdenträgern der Ming- und Qing-Dynastien zur Erholung benutzt wurden.

Erste industrielle Anwendungen gab es bei der Extraktion von Chemikalien aus den natürlichen geothermischen Manifestationen (Dampf, Quellen und Ablagerungen) in der Region Larderello in Italien. Ernsthaft betrieben wurde diese Gewinnung nach der Entdeckung von Borsäure in den heißen Wässern im Jahr 1777. In Chaudes-Aigues im Zentrum von Frankreich wurde das heute noch existierende erste geothermische Fernwärmenetz bereits im 14. Jahrhundert begonnen!

Geothermie wurde in der Vergangenheit in vielen Ländern benutzt, aber die meisten Anwendungen wurden nicht dokumentiert oder überliefert. Eine kürzlich erschienene Veröffentlichung beschreibt viele der frühen Nutzungen vor der industriellen Revolution (Stories from a Heated Earth - Our Geothermal Heritage, edited by R. Cataldi, S. Hodgson and J. Lund, 1999). Diese Veröffentlichung umfasst historische Informationen aus über 25 Ländern, geliefert von Archäologen, Historikern, Geographen, Anthropologen, Naturwissenschaftlern und Ingenieuren.

1913 veröffentlicht der amerikanische Reiseschriftsteller Colin Ross eine Erzählung mit dem Titel Als der Welt Kohle und Eisen ausging, in der sich die Großmächte um die letzten Kohlereserven streiten – bis ein deutscher Ingenieur ein tiefes Loch gräbt und die Menschheit lehrt, die Hitze des Erdinnern zu nutzen – die Geothermalenergie.

Lava-Austritt

Lava

Über die überall vorhandene Erdwärme ist bekannt, daß sie zu 70 % durch den Zerfall radioaktiver Elemente wie Uran, Thorium und Kalium entsteht, durch den Druck und durch die Reibung in den tieferen Schichten. Die überwiegenden Isotope, die für die radiogene Erwärmung verantwortlich sind, sind das Kalium-Isotop K 40, die Uran-Isotope U 235, U 238 und das Thorium-Isotop Th 232. Von den restlichen 30 % wird vermutet, daß sie noch aus ‚Restwärme’ aus der Entstehungszeit des Planeten bestehen. Bis zu einer Tiefe von 20 - 30 km steigt die Temperatur alle 1.000 m um etwa 30°C an. In 8.000 m Tiefe beträgt die Temperatur durchschnittlich 240°C. Noch viel tiefer liegt das Magma mit Temperaturen von rund 5.000°C.

Theoretisch ließe sich mittels des heißen Kerns des Erdinnern der gesamte Weltenergiebedarf leicht decken. Der Wärmeinhalt des Planeten wird auf etwa 3,9 x 10 hoch 23 W geschätzt. Im krassen Widerspruch dazu steht, daß die Gesamtjahresleistung aller geothermischen Kraftwerke 1980 nur knapp 2.000 MW betragen haben soll – obwohl das zu jenem Zeitpunkt schon wirtschaftlich nutzbare Potential auf 60 GW geschätzt wurde.

Dieser Unterschied resultiert daraus, daß die wirtschaftliche Nutzung dieser Wärme, d.h. eine Stromproduktion mittels Wasserdampfdruck, bislang auf nur einige wenige Gebiete beschränkt ist. Besonders bevorzugt sind hierbei – neben den etwa 500 tätigen Vulkane – auch Gegenden mit ehemals vulkanischer Tätigkeit, denn erloschene Vulkane können ihre Wärme über Millionen von Jahre halten. Hier besteht die Möglichkeit, in diese Gesteinsschichten Wasser hineinzupumpen, welches dann – als Dampf wieder austretend – Turbinen antreiben kann.

Für die Beheizung von Wohnflächen reichen dagegen schon Bohrungen in heißwasserführende Schichten relativ geringer Tiefe. Hierbei hat sich 100°C – 200°C heißes Wasser gut bewährt, sogar über längere Zeiträume hinweg. Insbesondere dieser ‚nassen Geothermalenergie’ wird neuerdings mehr Beachtung gezollt, da die Heizkosten hierbei niedriger sind als bei Öl oder Kohle, außerdem ist die Nutzung wesentlich krisenfester.

Zusätzlich läßt sich dem Erdreich auch schon aus Tiefen zwischen 15 m und 200 m mittels Erdwärmesonden, Grundwasser-Wärmepumpen und Erdwärmekollektoren Wärme entziehen. Die Raumluftkonditionierung durch Erdwärmetauscher wird in Deutschland seit Ende der 1980er Jahre in mehreren Pilotprojekten untersucht.

Künstliche Hohlräume im Untergrund können ebenfalls als thermisch nutzbare Grundwassersammler oder -reservoirs dienen. Dabei handelt es sich vor allem um Bergwerke (stillgelegt oder noch in Betrieb) sowie Tunnel, bei denen die Hohlräume nicht primär für eine thermische Nutzung geschaffen wurden. Bei tiefen Gruben und Tunneln wird der Bereich der oberflächennahen Geothermie teilweise bereits verlassen. Überlegungen existieren z.B. zur thermischen Nutzung eines Kohlebergwerks im östlichen Ruhrgebiet, das deutlich tiefer als 1 km ist.

Bereiche mit wesentlich höheren Temperaturen gibt es wiederum auf dem Meeresgrund – wo im Umkreis heißer vulkanischer Thermalquellen in 2.000 m bis 3.000 m Tiefe Oasen einer reichen Tierwelt gefunden wurden. Die dort stattfindende Chemosynthese – die Umwandlung von Schwefelwasserstoff – wurde schon 1987 als mögliche zukünftige Energiequelle für die Herstellung biotechnischer Produkte ins Auge gefaßt.

Die Anwendung geothermischer Energie für die Stromerzeugung begann in Italien mit Versuchen des Fürsten Ginori Conti in den Jahren 1904 und 1905. Das erste Kraftwerk (250 kW elektrische Leistung) wurde in Larderello im Jahr 1913 in Betrieb genommen.

Der Entwicklung in Italien folgte 1958 eine Anlage in Wairakei, Neuseeland, ein Versuchsanlage in Pathe, Mexiko, im Jahr 1959, und 1960 das Projekt The Geysers in den USA. Ein erstes internationales Treffen, auf dem über geothermische Anwendungen berichtet wurde, war die UN Conference on New Sources of Energy in Rom 1961.


Die folgende Übersicht soll einen Eindruck davon geben, wie der aktuelle internationale Stand der Planungen, Versuche und Umsetzungen ist.

Im Jahr 1983 gibt es zwölf Länder mit geothermischen Kraftwerken – und 32 Länder, in denen Planungen zur Nutzung dieser Energiequelle im Gange sind. In den genannten Kraftwerken werden 1983 etwa 1.200 MW Strom erzeugt, dazu kommen 5.500 MW in Form von Heizwärme und Warmwasser – hauptsächlich in Island, Neuseeland und Ungarn. 1987 werden schon 2.000 MW Strom erzeugt.

Eine Statistik von 1986 nennt folgende Projekte:

Land
in Betrieb
(MW)
im Bau / in Planung
(MW)
USA
933
1.420
Philippinen
446
888
Italien
421
2.000
Neuseeland
302
100
Japan
156
50
Mexiko
150
495


1997
nennt der EU-Wissenschaftsrat eine weltweit installierte elektrische Leistung von 7.802 MW sowie eine thermische Leistung von 9.701 MW.

Im Jahre 2000 werden in bereits 21 Ländern insgesamt 8.000 MW elektrischer Strom aus geothermischer Energie produziert. Mehr als 25 % der Kraftwerksleistung befinden sich in den USA - die Philippinen liegen mit 1,9 GW installierter Leistung an zweiter Stelle. Es folgen mit Abstand Italien, Mexiko, Indonesien, Japan und Neuseeland. In Deutschland werden zu diesem Zeitpunkt rund 400 MW erzeugt, hauptsächlich in Form umweltfreundlicher Wärme.

Geothermalenergie-Anlage

Moderne Geothermieanlage

Unter den verschiedenen Techniken gilt 2004 der sogenannte Kalina-Prozeß als der effizienteste. Hier wird im Wärmeaustauscher ein niedrig siedendes Gemisch aus Ammoniak und Wasser eingesetzt.

Ein vorerst noch ‚visionärer Ansatz’ ist der an jede Topologie anpaßbare Lineargenerator, bei dem sich der Wärmetauscher am unteren Ende der Bohrung befindet und einen Kolben innerhalb des Bohrloches bewegt.

Aber es geht ja auch anders herum: Die Geothermische Vereinigung e. V. weist im August 2003 darauf hin, daß durch direkte Kühlung mit Erdwärmesonden in den heißen Sommermonaten erhebliche Energie-Mengen und -Kosten eingespart werden können. Mit einer Bodentemperatur von 10°C – 12°C stellt der Erdboden schon wenige Zentimeter unter der Oberfläche einen riesigen, kostenlosen Kühlschrank dar. Statt eigens niederzubringende Erdsonden lassen sich in vielen Fällen auch Beton-Einbauten im Erdreich – wie Gründungspfähle etc. – kostengünstig entsprechend ausrüsten. Ideal sind zudem Kombianlagen, die im Sommer Kühle und im Winter Wärme erzeugen, denn hier lassen sich gegenüber konventionellen, strombetriebenen Heiz-/Kühl-Systemen meist mehr als 50 % der Betriebskosten einsparen.

Zum Vergleich mit der obigen Tabelle folgt hier eine weitere internationale Übersicht der Geothermie-Nutzung sowohl zur Stromproduktion (MWel) als auch zur Wärmeproduktion (MWth). Es handelt sich um die Zahlen von 2005:

Land
installierte Leistung
(MWel
)
Installierte Leistung
(MWth)
USA
2 564
7 817
Schweden
3 840
China
3 687
Philippinen
1 930
Türkei
1 177
Mexiko
953
Dänemark
821
Indonesien
797
Unarn
694
Italien
791
607
Schweiz
582
Japan
535
Deutschland
505
Kanada
461
Norwegen
450
Neuseeland
435
Island
202
1 791
Costa Rica
163
El Salvador
151
Kenia
129
Weitere Länder
283
5 393
Gesamt:
8 933
27 825


Im Mai 2009 weist ein Bericht des Emerging Energy Research Institute Geothermieprojekte im Umfang von 9 GW aus – was etwa 80 % der im Laufe der vergangenen drei Dekaden installierten Leistung entspricht, die von aktuell 10,5 GW auf über 31 GW im Jahr 2020 steigen soll.

In 24 Ländern existieren bereits 215 kommerzielle Umsetzungen, wobei die USA mit 3 GW installierter Leistung (elektrisch) an der Spitze steht. Hier bestehen bereits bestätigte Planungen für weitere Anlagen im Umfang von mehr als 4,4 GW im Laufe der folgenden fünf Jahre.

Im Juli 2009 veröffentlicht Prof. Melissa Schilling von der NYU Stern University eine Studie, welche die Geothermie als effizienteste aller erneuerbaren Energie ausweist. Mit einer Investitionssumme von 3,3 Mrd. $ für weitere Forschungen solle es außerdem möglich sein, die Stromgestehungskosten unter die von fossilen Brennstoffen zu senken.

Auch eine Studie von Deutsche Bank Research kommt Ende 2009 zu einem ähnlichen Ergebnis. Bis 2030 könnte ein neues Investitionsvolumen in Bauvorhaben und Technik von bis zu 75 Mrd. € anfallen.

Sehr interessant – und ausgesprochen synergetisch – ist eine Meldung, die im Dezember 2009 die Runde macht. Das kalifornisches Unternehmen Simbol Mining findet eine Methode, wie aus dem heißen Abwasser geothermischer Kraftwerke Lithium extrahiert werden kann. Dieses ist insbesondere bei der Batterieherstellung zunehmend gefragt, wo sich der weltweite Verbrauch bis 2020 mindestens verdreifachen wird. Die größten technisch relativ leicht ausbeutbaren Lithiumvorkommen befinden sich in den Salzseen in Bolivien und Chile sowie im Salton Sea in den USA, wo ein geothermisches Demonstrationswerk bald mit der Gewinnung von einer Tonne Lithium im Monat beginnen wird.

Vorhergehende Versuche Lithium aus Thermalwasser abzuscheiden, scheiterten an den hohen Silikatwerten. Die Technik von Simbol Mining, die am Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt wurde, erlaubt es die Silikate nun so abzuscheiden, daß sie aus dem Wasser gefiltert werden können. Dabei wird die Wärme des Wassers auch zur Beschleunigung des gesamten Verfahrens genutzt.

 

Betrachten wir nun die Situation in einer Anzahl von Ländern, die sich mit der Nutzung der Geothermie befassen.


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