Geothermische Energie

Der Erdkern, der von Erdkruste und Erdmantel umgeben ist, dürfte eine Temperatur zwischen 3 400 K und 10 000 K haben. Die Temperatur nimmt vom Erd-inneren zur Erdoberfläche hin ab, was einen Wärmestrom zur Folge hat. Hinzu kommt noch die Wärme, die auf den Zerfall von radioaktiven Mineralien in der Erdkruste zurückzuführen ist. Die gesamte Wärmestromdichte beträgt im allgemeinen nur etwa 0,06 W/m². Im Gegensatz zur Energiestromdichte der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche, die bis zu 1 000 W/m² beträgt. Die Wärmestromdichte ist also sehr klein, so dass eine direkte Nutzung nicht in Frage kommt. Jedoch erreicht die Wärmestromdichte höhere Werte in Bereichen geothermischer Anomalien, welche auch als geothermische Lagerstätten bezeichnet werden.

Anteil geothermischer Energie
Der Anteil der geothermischen Energie an der Weltenergieversorgung ist zur Zeit noch außerordentlich gering und wird, global betrachtet, aller Voraussicht nach auch in den nächsten Jahren unbedeutend bleiben. Im Jahre 2000 erwartet man einen Beitrag an elektrischer Leistung in Höhe von 100 000 MW. Dagegen kann aber die geothermische Energie nationale Bedeutung erlangen. Dies gilt insbesondere für Länder wie zum Beispiel Italien, die Vereinigten Staaten, Mexiko, Irland, Neuseeland, die Sowjetunion und Japan. Die nichtelektrische Anwendung für Heizung und Warmwasser umfasst derzeit in der Welt rund 5 500 MW.

Geothermische Lagerstätten werden wirtschaftlich genutzt in:

• USA
• Mexiko
• Island
• Italien
• Neuseeland
• Japan
• UdSSR

Formen geothermischer Lagerstätten

1. Heißdampflagerstätten (vapour-dominated hydrothermal)
2. Heißwasser- u. Warmwasserlagerstätten (liquid-dominated hydrothermal)
3. Heißwasservorkommen (geopressured reservoirs)
4. Heiße Trockengesteine („hot dry rocks“)

Nutzung geothermischer Lagerstätten zur Energiegewinnung

1. Trockener, überhitzter Dampf, der den geothermischen Reservoiren entnommen wird oder entströmt, wird unmittelbar zum Betreiben einer Turbine benutzt. Die Quellen in Larderello (Italien) und Kalifornien liefern beispielsweise trockenen Dampf.
2. Unter Druck stehende Wasserreservoire liefern ein Dampf/Wasser-Gemisch von etwa 450 bis 640 K. Der Dampf kann abgetrennt und zur Stromerzeugung oder als Prozessdampf eingesetzt werden. Mit dem heißen Wasser können beispielsweise Heizungsanlagen betrieben werden. Solche Anlagen sind z.B. in Wairakei (Neuseeland), in Japan und Irland in Betrieb.
3. Heißwasserquellen liefern unter Normaldruck stehendes Wasser von 320 K bis 350 K. Dieses kann nur über Wärmetauscher und mit Hilfe niedrigsiedender Flüssigkeiten (zB Freon, Isobutan) zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Da das Grundwasser mit der Turbine nicht in Kontakt kommt, braucht diese nicht aus korrosionsbeständigem Material zu sein. Heißwasserquellen gibt es beispielsweise in den USA, in Kalifornien, Nevada, Neu Mexiko, Oregon.

Bei den bisherigen Verfahren der Nutzung geothermischer Energie muss das wärmetransportierende Medium (Wasser oder Dampf) schon in der Lagerstätte vorhanden sein; die Erschließung geothermischer Lagerstätten und die Entnahme des wärmetransportierenden Mediums erfolgt durch Bohrungen. Diese Form der Energiegewinnung dürfte jedoch auch in Zukunft nur lokale Bedeutung haben, da ein nennenswerter Beitrag zur Weltenergieversorgung – wegen zu geringen Energiemengen – nicht möglich ist.

4. Anders ist die Situation, wenn man den Wärmeinhalt bis zu mehreren tausend Metern Tiefe berücksichtigt, und die weitverbreiteten heißen Trockengesteinen („hot dry rocks“) zur Energiegewinnung nutzbar macht, die in Reichweite der heutigen Bohrtechnik liegen. Dabei nimmt die Temperatur dieses Gesteins, von der Erdoberfläche ausgehend, etwa um 3 K pro 100 m zu (geothermischer Temperaturgradient). 
   Die Angaben über die verfügbaren Energiemengen hängen im Wesentlichen ab
   - von der Annahme über die technisch erreichbare Tiefe und
   - von der vorgesehenen Abkühlung der Gesteine.
   Kühlt man alle Gesteine unter den Landflächen der Erde bis zu einer Tiefe von 5000 m auf 373 K ab, so ergibt sich unter dem Untergrund aller Kontinente ein Wärmeinhalt von etwa 8 x 10¹⁴ t SKE, was rund das 10⁵-fache des derzeitigen Weltprimärenergiebedarfs ist.

Es kann wohl ausgeschlossen werden, dass diese Wärmemengen jemals quantitativ genutzt werden können, auch nicht bis zu einigen 1 000 m Tiefe. Die dazu nötigen Verfahren („hot dry rock technology“) müssen erst noch entwickelt werden. Außerdem ist noch offen, ob sie jemals wirtschaftlich einsetzbar sein werden. Zur Nutzbarmachung der Wärme heißer Gesteinsformationen („hot dry rocks“) soll Wasser, das von der Erdoberfläche durch Bohrlöcher gepumpt wird, erhitzt und der entstehende Dampf durch ein weiteres, weniger tiefes Bohrloch zur Wärmeabgabe an die Erdoberfläche zurückgeleitet werden.

Bei Ölbohrungen im Golf von Mexiko wurden Heißwasservorkommen (geopressured reservoirs) in 3300 m Tiefe mit Temperaturen von 380 K entdeckt. Das in diesem Sedimentbecken eingeschlossene Wasser steht unter hohem Druck, ist stark versalzen und enthält große Mengen Methan.

• Korrosionsprobleme,
• die Notwendigkeit der Methanabtrennung und
• der enorme Druck am Bohrkopf

haben zur Folge, dass die Nutzbarmachung dieses „geopressured reservoirs“ technisch außerordentlich schwierig sein dürfte.

Verwendung geothermischer Energie
Die Verwendung geothermischer Energie beschränkt sich bisher im Wesentlichen auf die Nutzung trockener Dampfvorkommen sowie die Nutzung von Dampf-Wasser-Gemischen zur Stromerzeugung, für Heizung und Warmwasser.
Die Nutzbarmachung trockener Dampfvorkommen zur Stromerzeugung ist besonders günstig. Solche Quellen sind jedoch selten. Beispiele sind Larderello/Italien, The Geysers/USA, El Salvador/Mittelamerika, Onikobe/Japan. In Larderello wird seit 1904 die Heißdampflagerstätte zur Stromerzeugung genutzt, und seit 1960 wird mit Dampf bei „The Geysers“, nördlich von San Francisco, Strom erzeugt. Wegen des geringen Drucks und der geringen Temperaturen (etwa 7 bar und 480 K) liegt der Wirkungsgrad der Verstromung bei Verwendung geothermischer Energiequellen im allgemeinen nur bei 6 % - 18 %. Trotzdem sind in Kalifornien diese Kraftwerke im Bau und Betrieb billiger als konventionelle oder nukleare Kraftwerke.
Meist liefern geothermische Quellen Dampf/Wasser-Gemische. Bevor der Dampf zur Stromerzeugung eingesetzt wird, muss er abgetrennt werden. Naßdampfquellen werden in Wairakei, Neuseeland (193 MW) und Cerro Prieto, Mexiko (75 MW) zur Stromerzeugung genutzt; in Japan sind es die Quellen von Onuma (10 MW), Otake F(11 MW) und Matsukawa (22 MW); in geringem Umfang wird in Pauzhetsk, UdSSR (5MW) und Island (3 MW) Strom erzeugt. Mit dem heißen Wasser selbst kann auch Strom erzeugt werden. Der Vorteil dieser Technik ist, dass die Korrosion der Turbine und die Freisetzung von für die Umwelt unerwünschten Substanzen verhindert wird.

Wirtschaftlichkeit geothermischer Energie
Die Erschließungs- und Betriebskosten geothermischer Lagerstätten variieren erheblich. Bei „The Geysers“ (USA) betrugen die Investitionskosten – bezogen auf eine 110 MW-Einheit – 110 $/kW elektrische Leistung und bei Cerro Prieto (Mexiko) – bezogen auf eine 75 MW-Einheit – 80 $/kW elektrische Leistung. Die Investitionskosten bei Stromerzeugung mit Heißwasserquellen liegen aufgrund technischer Probleme und auftretender Umweltbelastungen nicht so günstig.
Der Einsatz für Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung oder Meerwasserentsalzung kann durchaus einen lokalen Beitrag zur Energieversorgung leisten. So sind z.B. in Reykjavik rund 90 % aller Häuser an ein geothermisches Heißwassersystem angeschlossen.

Umweltbelastungen durch geothermische Energie
Bei der Elektrizitätserzeugung mit geothermischen Kraftwerken ist die anfallende Abwärme im allgemeinen erheblich größer als bei anderen Kraftwerken. Für die Abfuhr dieser Abwärme stehen im Prinzip dieselben Methoden zur Verfügung wie bei anderen Kraftwerken.
Geothermische Energiequellen liefern oft salzhaltige Dampf/Wasser-Gemische. Beispielsweise kann in der Nähe des Salton Sea, Kalifornien, der Salzgehalt des geothermsichen Wassers bis zu 20 % betragen. (Das Meerwasser hat einen Salzgehalt von etwa 3,3 %.) Das tägliche Abwasser eines geothermischen 1 000 MW-Kraftwerkes, würde es in Cerro Prieto (Salzgehalt 2 %), Mexiko, betrieben, enthielte rund 12 000 t Salz. Deshalb wird es häufig notwendig sein, das Abwasser wieder in die Bohrlöcher zurückzuführen. Dieses Verfahren kann auch dazu beitragen, Bodensenkungen zu verhindern, die möglicherweise eintreten, wenn große Wassermengen aus unterirdischen Reservoirs entnommen werden.
Aufgrund der durch eine Förder-Bohrung sich ergebenden Störungen kann es auch zu größeren Verschiebungen der Gesteinsschichten kommen. Diese Vorgänge äußern sich unter Umständen in sogenannten „seismic effects“, das heißt, in örtlich begrenzten Erdbeben.
Außerdem enthalten geothermische Dämpfe auch nicht kondensierbare Gase, die beim Betrieb der Anlagen erhebliche Schwierigkeiten bereiten. Die prozentuale Gaszusammensetzung bei „The Geysers“, USA, beträgt: CO₂ 63,4 %; CH₄ 15,3 %; H₂ 14,7 %; Ar 3,5 %; H₂S 1,7 %; NH₃ 1,3 %; H₂BO₃ 0,1 %.
Ein geothermisches Kraftwerk hat auch einen erheblichen Flächenbedarf. Legt man beispielsweise die für „The Geysers“ typischen Werte zugrunde – eine Bohrung liefert ca. 7 MW – so ist für ein 1 000 MW-Kraftwerk (ca. 150 Bohrungen) ein Flächenbedarf von rund 30 km² erforderlich.

Geothermie in Österreich
Der Startschuß für die Geothermienutzung in Österreich ist eigentlich auf einen Misserfolg zurückzuführen: 1978 bohrte man im oststeirischen Bad Waltersdorf nach Erdöl und stieß statt dessen auf eine heiße Quelle. Die Gemeinde begann daraufhin sofort nach Nutzungsmöglichkeiten für das Heißwasser zu suchen und so entschloss man sich im Jahre 1981, die örtliche Schule, einen Kindergarten und ein Freibad mit der Wärme aus der Tiefe zu beheizen. In der Folge wurde ein Thermalbad errichtet und die geothermische Energie zu dessen Wärmeversorgung genutzt. Trotz der relativ geringen Leistung der Thermalquelle – aus 1400 Metern Tiefe sprudeln pro Sekunde nur 17 Liter 61 °C warmen Wassers – ist den Verantwortlichen eine beachtliche Leistung gelungen. Die Quelle beheizt heute Fremdenverkehrsbetriebe mit insgesamt 1 000 Betten, zwei Schulen und ein Thermalbad inklusive Therapiezentrum. Danach verbleiben dem Wasser noch 55 °C, so dass es für die Brauchwasseraufbereitung und das Lüftungssystem des Kurzentrums genutzt wird. Erst im Anschluss daran wird das heilkräftige Wasser für den Badebetrieb eingesetzt. Bevor das Heilwasser – entsprechend den gesetzlichen Auflagen in Österreich – letztlich wieder in die ursprünglichen geologischen Schichten injiziert wird, wird es aber noch zur Beheizung der gemeindeeigenen Gärtnerei genutzt.
Unter den derzeitigen wirtschaftlichen und geologischen Rahmenbedingungen liegt das Geothermie-Potential in Österreich insgesamt bei 2 000 MW thermischer Energie und rund sieben Megawatt Strom. Die Errichtung von 20 bis 40 Anlagen wird für möglich gehalten.

Die geologisch günstigsten Lagen sind

• die steirische Thermenregion
• das ober- und niederösterreichische Molassebecken und
• das Wiener Becken.

Bis heute konnten insgesamt sechs geothermische Anlagen errichtet werden, die bekannteste davon ist die 10-MW-Anlage im oberösterreichischen Altheim.

Literatur

GRATHWOHL, Manfred: Windenergie, Geothermie, Biomasse.1983. – Energieversorgung (Ressourcen, Technologien, Perspektiven). Berlin, Walter de Gruyter. S.180-182, 264-279, 370-371

DERFLINGER, Manfred u.a.: 1997. – Vernetzungen/ Wirtschaftsgeografie. Erneuerbare Energien. Linz, Rudolf  Trauner Verlag. S. 57-58

Internetadressen:
Energieverwertungsagentur – E.V.A.: 1998. - Geothermie Österreich. Geothermie – Die Kraft aus der Tiefe
http://www.eva.wsr.ac.at/projekte/ren-in-a09.htm

Download:

	Autor: Silvia Bachinger  Pädagogischen Akademie der Diözese Linz Layout. Maria Astleithner Letzte Aktualisierung:   15 Sep 2000
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