Geothermie

Die Geothermie oder Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geothermie bezeichnet

• sowohl die ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung
• als auch die geowissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation des Erdkörpers.

Geothermie – Bohranlage

Ursprung der Geothermie

Die Eigenwärme des Erdkörpers ist zum Teil (geschätzt: 30–50 Prozent) Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung, als gravitative Energie aus der Akkretion der ursprünglichen Materials frei wurde. Der größere Teil (geschätzt: 50–70 Prozent) stammt aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinnern und den Gezeitenkräften (vor allem des Mondes), die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und bis heute erzeugen. Ein aktuelles Forschungsergebnis geht von ca. 50 % Erdwärme aus radioaktivem Zerfall aus. Ganz oberflächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu. Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4800 bis 7700 Grad Celsius. Rund 99 Prozent unseres Planeten sind heißer als 1000 °C, etwa 90 % des Rests immer noch heißer als 100 °C. Fast überall hat das Erdreich in einem Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 bis 40 °C (siehe Geothermische Tiefenstufe). Unter besonderen geologischen Bedingungen – beispielsweise in heutigen oder früheren Vulkangebieten – entstehen geothermische Anomalien. Hier kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.

Restwärme aus der Erdentstehung

Die Erde ist vor ungefähr 4,6 Milliarden Jahren durch Akkretion von Materie entstanden. Hierbei erhitzt sich das Material, wobei potentielle Energie durch Gravitation in Wärme umgewandelt wird (gravitative Bindungsenergie). Diese Wärmeenergie hat sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe an den Weltraum teilweise bis heute erhalten und kann als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung bezeichnet werden. Zusätzlich wurde der noch jungen, vermutlich glutflüssigen Erde erhebliche kinetische Energie (Bewegungsenergie) beim Einschlag eines riesigen Meteoriten zugeführt, in dessen Folge sich der Mond als Materialwolke aus der Erde separierte. Auch die Wärme, die beim Erstarren des geschmolzenen Erdgesteins frei wird, zählt zur Ursprungswärme. Noch heute wird am Übergang vom festen zum flüssigen Teil des Erdkerns durch das allmähliche Verfestigen zähflüssigen Kernmaterials Kristallisationswärme freigesetzt.

Radioktivität

Dieser Anteil der Geothermie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z. B. ²³⁵U (Uran)  und ²³⁸U, ²³²Th (Thorium) und ⁴⁰K (Kalium) zurück. Diese Elemente sind in die Kristallgitter bestimmter Minerale eingebaut, beispielsweise in die Feldspäte und Glimmer in Graniten. Die Leistung, die aus dem radioaktiven Zerfall resultiert, beträgt etwa 22·1012 Watt.Bei einem mittleren Erdradius von 6.371 km beträgt die geothermische Leistungsdichte des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,043 Watt (43 mW) pro Quadratmeter Erdoberfläche. Dies würde etwa die Hälfte des terrestrischen Wärmestroms ausmachen.

Wärmestrom aus dem Erdinneren

Der terrestrische Wärmestrom, die von der Erde pro Quadratmeter an den Weltraum abgegebene Leistung, beträgt durchschnittlich etwa 0,063 W/m² (63 mW/m²) (Wärmestromdichte).
Wegen der häufig geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung außerhalb von Gebieten mit einer erhöhten Wärmestromdichte zunächst nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste gespeicherte Energie durch die Abkühlung eines Teils des Erdkörpers über einen bestimmten Nutzungszeitraum von einigen Jahrzehnten genutzt:
Zitat aus dem Sachstandsbericht des Büros für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag „Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland“:
„Der natürliche Wärmestrom aus dem Erdinnern liegt bei ca. 70 kW/km² (Anmerkung: entspricht 0,07 W/m²). Beides zusammen reicht nicht aus, um die bei einer Stromerzeugung dem Quader zu entnehmende thermische Leistung von mehreren MW auszugleichen. In diesem Sinne steht eine Erdwärmenutzung immer für „lokalen Abbau“ der gespeicherten Wärmeenergie. Geothermische Energie kann also nur in einem weiteren Sinne zu den regenerativen Energien gerechnet werden“ (da bei rein konduktiver Wärmenachlieferung meist mehr Energie durch Abkühlung des erschlossenen Gebirgskörpers abgezogen wird, als aus dem Erdinneren nachströmt).

Eine Geothermienutzung sollte idealerweise so dimensioniert werden, dass die Auskühlung des betreffenden Erdkörpers so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet. In geothermisch vergleichsweise inaktiven Gebieten wird gegebenenfalls mehr Wärmeenergie aus der Erdkruste entnommen, als zunächst natürlich nachströmen kann. Da die in der Erdkruste gespeicherte Energie in einem solchen Fall schneller entzogen wird, unterliegt der Betrieb einer tiefen Geothermie-Anlage in vielen Regionen Mitteleuropas entsprechenden Begrenzungen. Die Einflussfläche (Fläche des Quaders) des rein konduktiv nachströmenden Wärmestrom kann sich jedoch beispielsweise in gut durchlässigen Aquiferen durch konvektive Ausgleichströme um ein Vielfaches vergrößern. eothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der

• oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung, etwa zum Heizen und Kühlen, meist als Wärmepumpenheizung, und der
• tiefen Geothermie zur direkten Nutzung im Wärmemarkt oder auch indirekt zur Stromerzeugung unterschieden.

Weiterhin wird zwischen Hoch- und Niedrigenthalpielagerstätten unterschieden. Hochenthalpie bedeutet, dass derartige Lagerstätten eine hohe Temperatur bereitstellen.

Bild: Dieter Schütz, Oliver Brunner  / pixelio.de

Anmerkung:
Dieser Artikel basiert aus dem Artikel Geothermie
aus aus der freien Enzyklopädie Wikipedia
und steht unter der Doppellizenz GNU-Lizenz für freie Dokumentation
und Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported.
In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.