Erdwärme als Energiequelle

Was ist die Erdwärme?

Die Nutzung der in den tiefen, aber noch zugänglichen Schichten der Erdkruste gespeicherten thermischen Energie (Erdwärme) wird im wissenschaftlichen Bereich Geothermie genannt.
Der physikalische Hintergrund: Nach heutigem Stand der Wissenschaft herrschen in den tieferen Schichten der Erdkruste sowie direkt im Erdkern sehr heiße Temperaturen von bis zu 6000 Grad. Die Wärme überträgt sich mittels elektromagnetischer Strahlung und wandert so zu den immer höheren Schichten der Erdkruste. Da der Begriff „Wärme“ eigentlich einen Zustand der höheren kinetischen Energie beschreibt, kann man somit aus der Restabstrahlung der Erdkrustenschichten Energien gewinnen. Diese Form von Energie kann man entweder direkt nutzen (z.B. zum Heizen und Erwärmen der Umgebung) oder sie kann für weitere Anwendungen nützlich sein, die im weiteren Verlauf des Artikels erläutert werden.

Wo kann Geothermie betrieben werden und wie sieht das Verfahren aus?

1) Geothermie nahe der Erdoberfläche

Diese Form der Energiegewinnung beschränkt den Bereich auf bis zu 400 Metern Tiefe. Allgemein eignet sich dafür jedes Grundstück oder jede Fläche für diesen Zweck. Allerdings ist darauf zu achten, welche wirtschaftlichen, ökologischen und rechtlichen Konsequenzen entstehen könnten. Des Weiteren muss die eingerichtete Anlage den Eigenschaften des Untergrundes angepasst werden. Auf wichtige Parameter wie zum Beispiel beförderbare Energiemenge und Wärmeleitfähigkeit ist besonders zu achten.

Erdwärme als Energiequelle

2) Geothermie aus Tunneln

Um direkt aus Tunneln Erdwärme zu gewinnen, entzieht man direkt aus den Tunnelbauwerken das austretende Tunnelwasser und die im Gegensatz zur äußeren Umgebung warme Tunnelluft ab. Beispielsweise können bei transalpinen Tunneln sehr schnell Lufttemperaturen von über 30 Grad Celsius erreicht werden. Laut den physikalischen Gesetzen wandert wärmere Luft aufgrund des dadurch entstanden Dichtegradientenunterschieds zur Umgebung mit kälteren Luft. Das Prinzip besteht nun darin, diesen warmen Luftstrom zu lokalisieren und in die warme Luftmassen an den entsprechenden Stellen aufzufangen.

3) Geothermie aus Bergbauanlagen

Wenn die Kapazität an Ressourcen von einem Bergwerk vollständig ausgeschöpft ist, gibt es noch eine letzte Möglichkeit, diesen Ort sinnvoll zu nutzen: Man betreibt ab jetzt dann die sogenannte Tiefengeothermie. In den Bergwerken betreibt man üblicherweise sehr tiefe Bohrungen an verschiedenen Stellen. Je nach Tiefe strömt warme bis heiße Luft unterschiedlicher Temperatur aus verschiedenen Schächten oder Bohrungen. Die Temperatur kann dabei bis zu 120 Grad Celsius betragen! Solche oder ähnliche Anlagen, die dieses Prinzip der Energiegewinnung verwenden befinden sich zurzeit zahlreich in Russland, besonders in Sibirien.

Weitere Anwendungen von Erdwärme

1) Stromerzeugung

Nachweislich fand die erste Nutzung der Geothermie zur Erzeugung von Strom vor etwa hundert Jahren in der Toskana statt. Dabei wurde ein Kraftwerk gebaut, das einige Turbinen enthielt, die zur Erzeugung elektrischer Leistung den Wasserdampf benötigten. Die Toskana war gerade dafür eine sehr günstige Lage, da direkt darunter (in geringer Tiefe) sich heißes Magma befand. Dadurch treten sehr viele Dämpfe aus den Böden hervor, deren Wärme leicht aufgefangen werden konnte.
Heute befindet sich die in Deutschland erste industriell genutzte, erbaute Geothermieanlage zur Stromgewinnung in Landau und wurde im Jahre 2007 fertiggestellt und funktioniert nach folgendem Prinzip: Aus einer Tiefe von etwa 2 Kilometern wird heißes Wasser mit der Temperatur von 97 Grad Celsius hinauf befördert. Dieses Wasser wird durchläuft verschiedene Anlagen und wird bearbeitet, bis schließlich mittels Generatoren Strom erzeugt wird. Bei dem ganzen Prozess wird die kinetische Energie des Wassers entzogen und in elektrische Energie transformiert. Jährlich werden in Deutschland damit bis zu 1,2 Millionen Kilowattstunden angestrebt. Dies entspricht einer durchschnittlichen Leistung von etwa 137 Kilowatt.

2) Heizen und Kühlen

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit der Erdwärme ist die sogenannte natürliche Kühlung: Wasser im Untergrund mit der Jahresdurschnittstemperatur als Grundwassertemperatur kann direkt zur Kühlung von Gebäuden verwendet werden ohne jegliche Energiezufuhr. (z.B. das Befördern des Wassers mittels einer Pumpe ist nicht notwendig) Dadurch ist man rein theoretisch in der Lage, weltweit Millionen von Klimaanlagen zu ersetzen. Allerdings wird dies in der Praxis noch sehr wenig angewendet.
Eine andere Anwendung heißt „Eisfreihalten“: Es wird eine konstante eisfreie Zone angestrebt, wie z.B. auf Straßen oder Landebahnen. Auch dieser Vorgang läuft völlig ohne jeglichen Energieaufwand ab. Durch die starke Sonnenbestrahlung auf der Fahrbahn im Sommer kann die angestaute Wärme eingelagert werden. Im Winter, wenn die Temperaturen fallen, kann man mittels einer Umwälzpumpe die im Sommer eingespeicherte Wärmeenergie die zu gefrierenden Straßen erwärmen. Dadurch kann eine eisfreie Straße während des Winters geleistet werden.

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