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Über dieses Buch

Nach einer Einführung in die Grundlagen der Geothermie werden die wichtigsten thermischen und hydraulischen Parameter in ihrer Bedeutung behandelt. Das nunmehr bereits in der 3., überarbeiteten und aktualisierten Auflage vorliegende Buch gibt einen Überblick über alle derzeit verfügbaren Nutzungssysteme der oberflächennahen und tiefen Geothermie und betrachtet diese bezüglich ihrer Effizienz und potentieller Umweltauswirkungen. Neu aufgenommen in die 3. Auflage wurden geothermische Nutzungen in Hochenthalpie-Gebieten mit Beispielen aus Island, USA und Neuseeland. Im Detail besprochen werden Planung, Bau und Betrieb von Erdwärmesonden, von hydrothermalen Anlagen, von EGS-Systemen und von Hochenthalpie-Nutzungen. Spezielle Kapitel sind der Hydraulik, d.h. der Durchführung und Auswertung hydraulischer Tests, der Hydrochemie, d.h. dem Themenbereich Lösung und Fällung, den geophysikalischen Untersuchungsmethoden an der Erdoberfläche und im Bohrloch sowie dem Abteufen und Ausbau von Tiefbohrungen gewidmet. Mit diesem Buch wird erstmalig die Geothermie in ihrer vollen Breite abgedeckt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Thermisches Regime der Erde

Zusammenfassung
Im Statusbericht Ren21 (2017) des “Renewable Energy Policy Network for the 21st Century” steht, dass die Erneuerbaren Energien weltweit im Jahr 2016 gegenüber 2015 um etwa 168 GWel (9,1 %) angestiegen sind. China verzeichnete in 2016 weltweit die höchste Wachstumsrate an Erneuerbaren Energien auf dem Stromsektor (U.S. Department of Energy 2016). In weit über 60 Ländern werden die Erneuerbaren Energien politisch und finanziell unterstützt.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 2. Geschichte geothermischer Energienutzung

Zusammenfassung
Geothermische Energie, Wärme aus dem „Schoß der Mutter Erde“, ist eine dem Menschen schon seit vielen 1000 Jahren bekannte Energiequelle. Die Thermalwässer und heißen Quellen wurden nicht nur für praktische Zwecke, wie zum Baden, für Trinkkuren, zur Gewinnung von Gasen oder Mineralsalzen durch Eindampfen, um Essen zuzubereiten oder für Heizzwecke genutzt, sondern sie hatten weltweit zuerst insbesondere eine religiöse oder mythische Bedeutung. Sie waren Sitz von Göttern, verkörperten Götter oder hatten göttliche Kräfte.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 3. Geothermische Energie-Ressourcen

Zusammenfassung
Physikalisch betrachtet ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Es gibt verschiedene Energieformen. Man unterscheidet zwischen mechanischer Energie (kinematische oder potentielle Energie), thermischer, elektrischer und chemischer Energie.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 4. Geothermische Nutzungsmöglichkeiten

Zusammenfassung
Die unterschiedliche Tiefenlage der Wärmegewinnung und Nutzungsmöglichkeit der geothermischen Energie bedingt eine Unterteilung in oberflächennahe und tiefe geothermische Systeme. Der Übergang ist allerdings fließend. Eine Unterscheidung zwischen tiefer und oberflächennaher Geothermie ist jedoch deshalb sinnvoll, weil neben den unterschiedlichen Techniken zur Energiegewinnung unterschiedliche geowissenschaftliche Parameter zur Beschreibung der Nutzungsmöglichkeiten erforderlich sind.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 5. Potentiale und Perspektiven geothermischer Energienutzung

Zusammenfassung
Geothermie ist eine erneuerbare Energiequelle, dem Auskühlen durch technische Systeme folgt stets ein Nachfließen von Wärme aus tieferen Schichten oder von der Oberfläche. Die Quellen, aus denen sich diese Wärmeströme speisen, der Wärmestrom aus dem Erdinneren, der radioaktive Zerfall in der Erdkruste, die Sonnenstrahlung, sind in menschlichen Zeiträumen unerschöpflich (Abschn. 1.3). Die Frage, ob die Nutzung von Erdwärme nachhaltig ist, ob sie also auch künftigen Generationen zur Verfügung steht, lässt sich dagegen nicht pauschal beantworten, sondern sie stellt sich in jedem Einzelfall neu abhängig vom Systemkonzept und der Dimensionierung der Anlage.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 6. Erdwärmesonden

Zusammenfassung
Die Nutzung oberfächennaher Geothermie ist insbesondere unter dem Aspekt der niedrigen, zur Verfügung stehenden Temperaturen zu betrachten. Um oberflächennahe Geothermie zur Beheizung von Gebäuden nutzen zu können, ist daher der Einsatz einer Wärmepumpe unerlässlich, denn aus dem Untergrund können nur einige wenige Grad Celsius Temperatur gewonnen, bzw. nur eine geringe Wärmemenge entzogen werden. Die höchsten mit oberflächennahen geothermischen Nutzungen durch Erdwärmesonden gewinnbaren Temperaturen liegen in Anhängigkeit von der Sondentiefe und den natürlichen Gegebenheiten in der Größenordnung von etwa 10–12 °C. Die Temperaturanhebung auf die gewünschten Heiztemperaturen besorgt dann die Wärmepumpe.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 7. Geothermische Brunnenanlagen

Zusammenfassung
In Bereichen, in denen gut durchlässige Grundwasserleiter vorliegen und in denen das Grundwasser bis knapp unter der Erdoberfläche ansteht und in entsprechender Güte zur Verfügung steht, bietet es sich an, eine geothermische Brunnenanlage zur oberflächennahen energetischen Nutzung der Erdwärme als Entzugsquelle zum Betrieb einer Wärmepumpe zu installieren. Brunnenanlagen können zum Heizen und/oder zum Kühlen verwendet werden. Synonyme Begriffe sind Zweibrunnensysteme, Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlagen oder Grundwasserwärmepumpe. In jedem Fall handelt es sich um eine unmittelbare Nutzung von oberflächennahem Grundwasser zur Energiegewinnung.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Chapter 8. Hydrothermale Nutzung, Geothermische Dublette

Zusammenfassung
Bei den hydrothermalen Systemen wird zwischen Systemen mit niedriger und hoher Enthalpie (Wärmeinhalt) unterschieden. Beim ersten System erfolgt eine Nutzung des im Untergrund vorhandenen warmen oder heißen Wassers entweder direkt oder über Wärmetauscher zur Speisung von Nah- oder Fernwärmenetzen, zur industriellen bzw. landwirtschaftlichen Nutzung oder für balneologische Zwecke. Bei Temperaturen über 120 °C ist eine wirtschaftlich vertretbare Stromproduktion möglich. Das thermale, warme oder heiße Wasser entstammt Grundwasserleitern (Aquifere). Beim zweiten System sind die Temperaturen so hoch, dass eine direkte Nutzung von Dampf oder einem Zweiphasenfluid zur Stromerzeugung möglich ist.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 9. Enhanced-Geothermal-Systems (EGS), Hot-Dry-Rock Systeme (HDR), Deep-Heat-Mining (DHM)

Zusammenfassung
Mit dem Enhanced-Geothermal-System (EGS) soll der tiefere Untergrund als Wärmequelle zur Stromerzeugung und Wärmegewinnung genutzt werden. Synonyme sind Hot-Dry-Rock (HDR) oder Deep-Heat-Mining (DHM). Der Begriff HDR stammt aus der Anfangsphase dieser Technologie-Entwicklung, in der man noch von „trockenen“ Verhältnissen in großer Tiefe im kristallinen Grundgebirge, also im Wesentlichen in Graniten und Gneisen, ausging.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Chapter 10. Geothermische Nutzungen in Hochenthalpie-Gebieten

Zusammenfassung
Der Großteil der geothermischen Stromproduktion wird heutzutage aus Hochenthalpie-Gebieten, die bereits in geringen Tiefen hohe Temperaturen aufweisen, durch Dry-Steam- oder Flash-Steam-Systeme gewonnen. Diese Systeme nutzen das druckentlastete und dadurch dampfförmige, heiße Thermalfluid als Arbeitsmittel, um eine Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Zusätzliche Technologien wie ORC- oder Kalina-Anlagen sind also nicht notwendig
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 11. Potentielle Umweltauswirkungen bei der Tiefen Geothermie

Zusammenfassung
Die Umwandlung in Strom oder Nutzwärme ist frei von CO2- und Rauchgasemissionen wie Rußpartikeln, Schwefel- und Stickoxiden. Der Betrieb von Geothermieanlagen ist prinzipiell sehr umweltverträglich. Im Normalbetrieb, wie auch bei Störfällen sind schädliche Umwelteinflüsse von technischer Seite durch die Verwendung von hochwertigen Baumaterialien und einer sehr ausgereiften Technik mit zahlreichen Sicherungseinrichtungen nahezu ausgeschlossen.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 12. Bohrtechnik für Tiefbohrungen

Zusammenfassung
Die Bohrkosten in der Tiefengeothermie machen bis zu 70 % der Gesamtkosten eines Geothermieprojektes aus. Die in der Tiefengeothermie zum Einsatz kommende Bohrtechnologie stammt größtenteils aus der Erdölindustrie. In der Geothermie ergeben sich jedoch aus der Kombination von hohen Temperaturen, großen Volumenströmen sowie langfristigen Nutzungen bei teilweise hohen Gehalten an aggressiven Bestandteilen im Wasser weitergehende Anforderungen an die Bohrtechnologie.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 13. Geophysikalische Untersuchungen

Zusammenfassung
Geophysikalische Untersuchungsverfahren erlauben einen indirekten Einblick in den Untergrund. Es wird zwischen Verfahren von der Erdoberfläche aus und Verfahren vom Bohrloch aus unterschieden. Bei den geophysikalischen Bohrlochuntersuchungen wird zwischen Verfahren, die in der ausgebauten oder in der noch nicht ausgebauten Bohrung aussagekräftig sind, differenziert.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 14. Hydraulische Untersuchungen, Tests

Zusammenfassung
Bereits während des Abteufens einer Tiefbohrung werden erste hydraulische Tests in hangenden Schichten außerhalb des geplanten Nutzhorizontes durchgeführt. Weitergehende umfangreiche hydraulische Untersuchungen erfolgen nach Abschluss der Bohrarbeiten. Dazu gehören Langzeittests, Zirkulationsversuche oder Tracertests im geplanten Nutzhorizont.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Kapitel 15. Hydrochemische Untersuchungen

Zusammenfassung
Thermales Tiefenwasser spiegelt die Herkunft, die Zirkulationsdauer und die Wechselwirkungen mit dem Umgebungsgestein wider. Die meisten Tiefenwässer weisen eine erhöhte Mineralisation und Gasgehalte auf. Um Aussagen zu den Eigenschaften des geförderten Thermalwassers und den möglichen Auswirkungen zu treffen, ist die genaue Kenntnis der Inhaltsstoffe eine grundlegende Voraussetzung für den erfolgreichen Langzeitbetrieb der geothermischen Anlage.
Ingrid Stober, Kurt Bucher

Backmatter

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