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16.09.2022 | Geothermie | Gastbeitrag | Online-Artikel

CO2-Reduzierung mithilfe tiefer Geothermie

verfasst von: Manfred Plechaty, Robin Renoth

5:30 Min. Lesedauer
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Neben dem Ausbau von Solar- und Windenergie wird eine Energiequelle oft vergessen: die Geothermie. Ihr Ausbau zur tiefen Geothermie ermöglicht Prozesstemperaturen bis 400 °C und somit den Betrieb von Dampfkraftwerken. Außerdem ist sie weltweit verfügbar, grundlastfähig, technisch beherrschbar und CO2-neutral.


Mit den momentan unter Zeitdruck stehenden, aber dringend notwendigen Ansätzen zur Klärung neuer Partnerschaften für Energielieferanten entstehen neue Abhängigkeiten, hohe Kosten und der CO2-Reduzierung wird nur peripher Rechnung getragen. Am Beispiel der auch gut auf andere Energiebereiche übertragbaren Elektromobilität lässt sich die Problematik anschaulich erläutern. Der Beitrag der E-Mobilität zur Reduzierung von CO2 hängt primär vom eingesetzten Strom ab. Wird dieser mit alternativen Stromerzeugungsmethoden wie Sonne, Wind, Biomasse und Wasser gewonnen, sehen die Beiträge zur Treibhauserwärmung wesentlich besser aus als bei einem Strommix mit viel Kohle-, Öl- und Erdgas. Die Kernenergie ist in diesem Zusammenhang zwar kein großer CO2-Emittent, bringt aber viele andere Umweltprobleme mit sich und wird deshalb in Deutschland langfristig keine große Rolle mehr spielen.

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2022 | OriginalPaper | Buchkapitel

Nutzung geothermischer Energie

Das Wort Geothermie kommt aus dem Griechischen und setzt sich aus „Geo“ = Erde und „Thermie“ = Wärme zusammen. Bei der Geothermie wird die Wärme des warmen Untergrunds genutzt. Geothermie ist eine regenerative (CO2 freie), stetig verfügbar, von …

Eine Stromerzeugungsmethode wird bei dieser Diskussion jedoch kaum erwähnt, die Geothermie. Genauer, die tiefe Geothermie mit Bohrungen tiefer als 400 m. Laut derzeitigem Stand 2022 liefern in Deutschland 42 Anlagen 349,71 MW Wärmeleistung und 47 MW elektrische Leistung. Die Stromerzeugung aus Geothermie trägt damit weniger als 0,1 Prozent zur erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland bei. Der Fernwärmebeitrag ist dabei in einigen Regionen durchaus beachtlich gewachsen, zeigt aber auch die Grenzen des Nutzwertes bei Verfahren mit niedrigen Temperaturen, kleiner 200 °C, auf.

Aus diesem Grunde wird hier auf ein neues, teilweise noch in der Entwicklung befindliches Verfahren zur Gewinnung von Strom und Wärme hingewiesen.

Neues Verfahren für effiziente Stromgenerierung

Mit dem Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) wird der Wirkungsgrad des bisherigen Organic-Rankine-Cycle-Prozesses (ORC) erheblich gesteigert. Dabei wird Wasser mit bis zu 15 MPa (150 bar) eingepresst, wodurch sich Risse im Gestein bilden. Die Hohlräume bleiben bei einer mittleren Weite von weniger als einem Millimeter dauerhaft offen. So wird ein Wärmeleitsystem mit mehreren Quadratkilometern Oberfläche zwischen den Bohrlöchern geschaffen.

Der Wirkungsgrad hinsichtlich der Stromerzeugung hängt dabei von den Ecktemperaturen ab. Ab Temperaturen von 350 °C steigt die Effizienz des Energietransportes signifikant. Diese Dampftemperaturen werden in Forschungsanlagen bereits in verschiedenen Regionen der Welt erreicht. Und es gibt auch in Europa Gebiete, in denen bereits in 3000 m Tiefe Temperaturen von 400 °C erreicht werden (z. B. Forschungsbohrungen in der Toskana). Mit diesen Dampftemperaturen kann direkt ein Dampfkraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 40 % betrieben werden. Die Restwärme kann dann in Fernwärmenetze eingespeist werden. Damit rechnen sich die Investitionen für Bohrungen bei weitem.  

Das erste große HDR-Projekt in Europa entstand in Soultz-sous-Forêts im Elsass. In einem viermonatigen Test erbrachte 1997 der dort geschaffene Wärmeübertrager von mindestens drei Quadratkilometern heißes Wasser mit einer Temperatur von 142 °C. Inzwischen wurden die Bohrungen auf über 5.000 m vertieft, um ein Temperaturniveau von 200 °C zu erreichen. Damit wurde dann ein erstes Kraftwerk mit einer Dampftemperatur von ca. 180 °C als wissenschaftliche Pilotanlage zur Stromerzeugung betrieben. Seit 2016 wird diese Anlage kommerziell genutzt.

The Geysers, USA, ist mit der Nutzung eines Vorkommens von überhitztem Wasser in einem großen porösen Sandsteinvorkommen, das durch eine darunterliegende Magmakammer auf 5 Kilometern Tiefe erhitzt wird, mit einer aktuellen Leistung von rund 750 MW elektrisch und 100 MW thermisch in Form von Fernwärme das größte und eines der ältesten Geothermiekraftwerke der Welt. In The Geysers wurden im Lauf der Jahre über 350 Bohrungen erstellt, wovon über 200 aktiv produzieren. Die Bohrungen produzieren einen trockenen Dampf, der in mehreren dezentralen Kraftwerkstationen direkt auf Dampfturbinen geleitet wird. Die Kühlung der Anlagen erfolgt durch Verdunstung, wodurch 60 – 70 % des Kondensates nach der Turbine verdampft. Seit den Neunzigerjahren wird das Restwasser plus Abwässer aus Sakramento in die Dampflagerstätte injiziert, um dem nachlassenden Reservoirdruck entgegenzuwirken.

Auch in Europa gibt es viele Möglichkeiten zum Bau von HDR-Anlagen. Weite Gebiete in Spanien, Süditalien, Griechenland und auch im Norden Europas bieten ebenso gute Bedingungen wie reine Vulkangebiete. Island ist als Vorreiter bei der Nutzung der Geothermie bekannt. Dort laufen sechs größere Geothermiekraftwerke, die etwa 26 % des Strombedarfs der Insel decken und knapp 90 % der Haushalte mit Wärme versorgen. Mit solchen Zahlen könnte sich Europa in Kombination mit Sonnen-, Wind- und Wasserkraftwerken energetisch unabhängig machen. Weltweit werden diese Potenziale durchaus genutzt, China und die Schweiz haben große Offensiven für die nächsten Jahre angekündigt.

Nachhaltige Stromversorgung

Geothermiekraftwerke sind somit prädestiniert für eine nachhaltige Stromversorgung. Bisher hat sich die Geothermie allerdings nicht gegen konventionelle Energiegewinnungsmöglichkeiten durchsetzen können. Eine mögliche Begründung für die derzeit fehlende Marktetablierung liegt, neben der starken Marktposition fossiler Brennstoffe, unter anderem in den offenen Punkten bzgl. der Kosten der Bohrungen, technischen Herausforderungen wie der Haltbarkeit von Bohrköpfen und -gestänge bei hohen Prozess- und Umgebungstemperaturen oder Angriffen von schwefelhaltigem, hochkritischem Dampf auf Verrohrung und Turbinen. Bei neuen Energiepreisen durch globale Veränderungen der Handelsbeziehungen müssen vor allem die Kostenstrukturen neu berechnet werden. Daher sind verstärkte Forschungsaktivitäten notwendig, sodass die großen Vorteile der Geothermie, wie Grundlastfähigkeit bei nachhaltiger Energiegewinnung, geringer Flächenverbrauch, weitgehend regionale Unabhängigkeit (weltweit) und überschaubarer technischer Aufwand, gegenüber Verfahren wie Kernfusion, besser hervorgehoben werden können.

Die Chancen sind groß. Theoretisch können 100 % des Energiebedarfs der Welt geothermisch gesättigt werden, denn 99 % unseres Planeten sind heißer als 1000 °C, von dem verbleibenden “Rest” sind 99 % heißer als 100 °C. 

Hat man erst mal viel grüne, grundlastfähige Energie, wäre das Ziel, grünen Wasserstoff zu erzeugen, relativ einfach zu erreichen und damit eine grüne Energieversorgung, z. B. E-Mobilität mit Brennstoffzellen, möglich. Natürlich besteht dennoch noch ein großer Aufwand, die E-Mobilität auf Brennstoffzellen umzustellen, die H2-Infrastruktur aufzubauen und den Wasserstoff bereitzustellen. Aber das Ziel einer CO2-freien Energieversorgung bis 2050 wäre auf diesem Weg möglich, die energetische Unabhängigkeit dabei gewährleistet und Europa könnte eine neue Technologie einbringen, die weltweit von Nutzen wäre.

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Quelle:
Energietechnik

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