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2025 | Buch

Geothermie

verfasst von: Ingrid Stober, Kurt Bucher

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Dieses Buch vermittelt umfassend die Grundlagen und technischen Anwendungen der Geothermie als erneuerbare Energiequelle und zeigt das enorme Potenzial der Erdwärmenutzung als Grundlastenergie für eine umweltfreundliche Energieversorgung auf. Nach einer Einführung in die physikalischen und chemischen Grundlagen der natürlichen geothermischen Energie werden die wichtigsten thermischen und hydraulischen Parameter sowie alle derzeit verfügbaren geothermischen Nutzungssysteme – von oberflächennahen bis zu tiefen Geothermieanlagen – im Detail besprochen. Dies umfasst die Planung, den Bau und Betrieb von Erdwärmesonden, hydrothermalen Anlagen, Untergrundspeichern, EGS-Systemen und Hochenthalpienutzungen. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der Effizienz als auch auf den potenziellen Umweltauswirkungen dieser Systeme.

In der 4., überarbeiteten und aktualisierten Auflage werden zudem die neuesten Entwicklungen in der Geothermie vorgestellt, wie etwa die Möglichkeiten zur Sektorkopplung durch neu entwickelte Großwärmepumpen und die CO2-Sequestrierung in Hochenthalpie-Anlagen. Besondere Kapitel widmen sich der Hydraulik – inklusive der Durchführung und Auswertung hydraulischer Tests – der Hydrochemie, der Herkunft der Tiefenfluide, der Abschätzung von Reservoirtemperaturen mittels Geothermometern sowie den geophysikalischen Untersuchungsmethoden an der Erdoberfläche und im Bohrloch.

Mit dieser Auflage wird die Geothermie erstmalig in ihrer gesamten Breite abgedeckt, und durch praxisnahe Erklärungen bietet das Buch eine wertvolle Grundlage für Forschende, Planer und Anwender im Bereich der geothermischen Energie.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Thermisches Regime der Erde
Zusammenfassung
Im Statusbericht Ren21 (2022) des „Renewable Energy Policy Network for the 21st Century“ steht, dass die Erneuerbaren Energien weltweit im Jahr 2021 gegenüber 2020 um etwa 314 GWel (17 %) angestiegen sind. China verzeichnete in 2021 weltweit die höchste Wachstumsrate an Erneuerbaren Energien auf dem Stromsektor mit über 1 TWel installierter Kapazität Ende 2021. 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 (BINE Informationsdienst 2003). Als Wärme ist die Energie die ungeordnete Bewegung molekularer Teilchen. Als elektrischer Strom ist sie die gerichtete Bewegung geladener Teilchen. Als Strahlung ist sie elektromagnetische Welle.
Ingrid Stober, Kurt Bucher
Kapitel 4. Geothermische Nutzungsmöglichkeiten
Zusammenfassung
In Niederenthalpie-Gebieten bedingt die unterschiedliche Tiefenlage der Wärmegewinnung und Nutzungsmöglichkeit der geothermischen Energie eine Unterteilung in oberflächennahe und tiefe geothermische Systeme. Der Übergang ist allerdings fließend. Eine Unterscheidung zwischen tiefer und oberflächennaher Geothermie ist auch deshalb sinnvoll, weil neben den unterschiedlichen Techniken zur Energiegewinnung unterschiedliche geowissenschaftliche Parameter zur Beschreibung der Nutzungsmöglichkeiten erforderlich sind (WM 2008; BMU 2009).
Ingrid Stober, Kurt Bucher
Kapitel 5. 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 Sonneneinstrahlung, sind in menschlichen Zeiträumen unerschöpflich (Abschn. 1.3).
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 Größenordung von etwa 10–12 °C.
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.
Ingrid Stober, Kurt Bucher
Kapitel 8. Hydrothermale Nutzung
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 Wärmeübertrager 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.
Ingrid Stober, Kurt Bucher
Kapitel 9. Enhanced-Geothermal-Systems (EGS)
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), Deep-Heat-Mining (DHM) oder HFR (Hot-Fractured-Rock). 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
Kapitel 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 hydrothermale Nutzung der tiefen Geothermie als Heizwärme oder zur Stromproduktion ist in Niederenthalpie-Gebieten 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. Bohr- und Pumpentechnik bei Tiefbohrungen
Zusammenfassung
Die Bohrkosten in der Tiefengeothermie machen bis zu 70 % der Gesamtkosten eines Geothermieprojektes aus. Die in der Tiefengeothermie zum Einsatz kommende Bohr- und Pumpentechnologie 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 Fluid weitergehende Anforderungen an die Bohr- und Pumpentechnologie.
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. Die nachstehend vorgestellten geophysikalischen Untersuchungen stellen eine Auswahl für den Themenbereich der tiefen Geothermie dar.
Ingrid Stober, Kurt Bucher
Kapitel 14. Bestimmung hydraulischer Parameter des Reservoirs
Zusammenfassung
In Niederenthalpie-Gebieten sollten bereits während des Abteufens der ersten Tiefbohrung erste hydraulische Tests auch in hangenden Schichten außerhalb des geplanten Nutzhorizontes durchgeführt werden. Weitergehende umfangreiche hydraulische Untersuchungen erfolgen nach Abschluss der Bohrarbeiten der Erstbohrung im vorgesehenen Reservoir, ggf. sind auch Ertüchtigungs- oder Stimulationsmaßnehmen vorzusehen.
Ingrid Stober, Kurt Bucher
Kapitel 15. Chemische Zusammensetzung von Tiefenwässern, Folgerungen für Planung und Betrieb geothermischer Anlagen
Zusammenfassung
Die Poren- und Kluft-Hohlräume der kontinentalen Erdkruste sind normalerweise mit wässrigem Fluid gesättigt. Diese Fluide werden in der Geothermie dazu benutzt. um die thermische Energie aus der heißen Tiefe an die kalte Oberfläche zu bringen. Die chemische Zusammensetzung dieser natürlichen Wärmetransfer-Fluide hängt vom dominanten (reaktiven) Gesteinstyp des thermalen Reservoirs und seinen Änderungen entlang des Zirkulationswegs ab. Neben dieser lokal durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Gestein erhaltenen Komponente können auch von Extern Komponenten im Fluid enthalten sein, wie beispielsweise eine marine Komponente oder durch Zusickerung migrierende Fluide.
Ingrid Stober, Kurt Bucher
Backmatter
Metadaten
Titel
Geothermie
verfasst von
Ingrid Stober
Kurt Bucher
Copyright-Jahr
2025
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-70283-3
Print ISBN
978-3-662-70282-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-70283-3