Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen ...

8.1 Einführung
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II.8 Elektrizität aus geothermischen Quellen
Die Erde ist ein Wärmereservoir von 10 – 20.10 30 Joule (J), von dem ca. 10 26 J in der äußeren Erdkruste in
Tiefen bis zu 10 km enthalten sind. Dieser Wärmeinhalt resultiert in der Bilanz aus dem Wärmeverlust an der
Erdoberfläche, der Restwärme vom Entstehungsprozess der Erde und einer kontinuierlichen Heizung durch
den Zerfall langlebiger radioaktiver Isotope (U238, U235; Th232 und K40), die insbesondere in der kontinentalen
Kruste angereichert sind. Dort beträgt die Wärmeproduktion in granitischen Gesteinen ca. 2,5 μW/m 3 ;
in basaltischen Gesteinen ist sie bis zu einer Größenordnung geringer. Der mittlere Wärmetransport aus der
tieferen Erdkruste beträgt im Mittel ca. 60 – 65 mW/m 2 , was global ca. 10 21 J/a entspricht.
Die Temperatur an der Erdoberfläche schwankt im Tagesverlauf bis zu 1,5 m Tiefe und im Jahresverlauf bis
zu 30 m Tiefe. Zum Erdinneren steigt die Temperatur mit durchschnittlich 25-30 °C/km an, so dass ein für
Stromerzeugung erforderliches Temperaturniveau von 150°C in der Regel erst in >5.000 m Tiefe angetroffen
wird. In vulkanischen Gebieten, in denen Magma in die aus Sedimenten, metamorphem Gestein und
Graniten bestehende obere Erdkruste (10-15 km Tiefe) aufsteigt, kann der Temperaturanstieg wesentlich
höher sein. Gebiete, die schon bei geringerer Tiefe eine solch hohe Enthalpie bereitstellen, finden sich in
Europa z.B. in Island, der Toskana oder dem pannonischen Becken sowie im angrenzenden Gebiet, insbesondere
in der westlichen Türkei.
Das Vorhandensein von Flüssigkeit (Wasser, Sole) bei hoher Permeabilität kann den Wärmefluss durch
Konvektion wesentlich erhöhen. Gegenwärtig werden deshalb hauptsächlich konvektive (hydrothermale)
Vorkommen für Stromerzeugung genutzt. Bei den in Deutschland verfügbaren geothermischen Ressourcen
für Stromerzeugung handelt es sich aber zum weitaus überwiegenden Teil um „konduktive (petrothermale)
Systeme“, bei denen die in Tiefengesteinen gespeicherte Wärme weitgehend unabhängig von den natürlichen
hydraulischen Eigenschaften erschlossen werden muss.
8.2 Technologien
Die tiefe Geothermie erfordert in der Regel einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf mit mindestens einer
Förder- und einer Schluckbohrung, die ein ausreichend heißes Aquifer erschließen. Anlagen mit einer
größeren Anzahl von Bohrungen (Geothermiefelder) sind in Deutschland bisher noch nicht Stand der
Technik. Der Thermalwasser-Kreislauf wird über Tage mit einem Wärmetauscher geschlossen und das
ausgekühlte Wasser über die Schluckbohrung in die Lagerstätte zurückgeführt. Die entzogene Wärmeenergie
wird für die Stromerzeugung an eine Turbine in einem zweiten Wärme- und Flüssigkeitskreislauf
(wegen der vergleichsweise geringen Vorlauftemperatur als organischer Rankinezyklus) weitergegeben.
Hydrothermale Systeme setzen Aquifere mit ausreichender natürlicher hydraulischer Leitfähigkeit (Permeabilität)
voraus, in der Praxis wird eine Heißwasserproduktion von mindestens 100 m 3 /h gefordert. Während eine
bestimmte Temperatur über eine entsprechende Bohrtiefe stets zu erreichen ist, schränkt diese Bedingung
die Zahl möglicher Standorte erheblich ein.
Bei petrothermalen Systemen können die Zuflussbedingungen zur Bohrung durch ingenieurtechnische
Behandlung, sogenannte Engineered-Geothermal-Systems (EGS)-Technologien, verbessert werden. Das
kann zur Erzeugung eines künstlichen Wärmetauschers in der Tiefe führen, aus dem mit Oberflächenwasser
die Tiefenwärme entzogen wird. Mit Hydraulic-Fracturing oder Säurebehandlung sind beispielsweise Methoden
verfügbar, mit denen eine ausreichende hydraulische Leitfähigkeit auch in gering permeablen Gesteinen