Was ist eigentlich mit…

Erdwärme?

Geothermalenergie bzw. Erdwärme ist den meisten ein Begriff. Was jedoch nicht jeder unbedingt weiß, ist, ob und, wenn ja, wie sich diese Energie nutzen lässt.

Tatsächlich gibt es viele verschiedene Anwendungsgebiete, die sich grob in zwei Bereiche unterteilen lassen. Zum einen ist da die Stromgewinnung und zum anderen die so genannte „direct use“, welche neben Stromerzeugung im kleinen Maßstab vor allem die direkte Nutzung der Wärme beschreibt.

Stromerzeugung mit Geothermalenergie:
Zur Stromerzeugung werden grob drei Systeme unterschieden. Das älteste System nennt sich Trockendampf-System (Direct Dry Steam). Dampf strömt hier direkt aus der Bohrung in eine Dampfturbine, welche den Strom erzeugt. Genutzt wird unter Druck stehender Wasserdampf. Der Dampf wird „trocken“ genannt, da er durch seine Hitze keine nennenswerten Feuchtigkeitsanteile beinhaltet. Es wird kein zusätzlicher Druck ausgeübt.

Das zweithäufigste System ist das so genannte Flash-Dampf-System. In diesen Systemen wird ein bestimmter Effekt, nämlich das Evaporieren von heißem, unter Druck stehendem Wasser ausgenutzt. Das über 180 Grad Celsius heiße Wasser wird in eine Kammer eingesprüht, die einen geringeren Druck enthält. Das heiße Wasser verdampft sofort. Dies wird „flashing“ genannt. Der entstandene Wasserdampf wird dann zum Betreiben einer Dampf-Turbine benutzt. Das Flashing kann in bis zu drei Schritten (single-, double- oder triple-flashing) geschehen.


Fang geothermal plant, Chiang Mai, Thailand (source: Helmut Duerrast, creative commons)



In der dritten Variante benutzt man Binäre-Kraftwerke. Der große Vorteil ist, dass binäre Kraftwerke mit Temperaturen unter 180 Grad Celsius operieren können. In diesen Systemen wird das heiße Wasser aus der Erde hoch und in ein Wärmetausch-system gepumpt. Dadurch wird eine andere Arbeitsflüssigkeit (Arbeitsfluid) erhitzt und vergaßt, welche dann wiederum eine Turbine zur Stromgewinnung betreibt
(vgl. Bundesverband Geothermie e.V. 2019).

Direkte Nutzung von Erdwärme (direct use):
Der World Thermal Congress hat in seinem Review von 2010 den direkten Nutzen von Erdwärme in 78 Ländern verglichen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die so genannten Geothermal-Heat-Pumps gelegt. Diese Pumpen ermöglichen einen weitestgehend standortunabhängigen Nutzen für allerlei Anwendungen, von Wärmekreisläufen in Wohnhäusern und Gewächshäusern bis hin zu industriellen Anlagen. Geothermal-Heat-Pumps sind der Hauptgrund für die wachsende Beliebtheit von Erdwärme-Systemen weltweit, auch da sie Erdwärme in geringen Tiefen nutzen können und damit quasi standortunabhängig sind. Der Vergleich zum letzten Review des World Thermal Congress aus dem Jahr 2005 zeigt ein Wachstum von bis zu 18% in diesem Bereich. Der größte Kapazitätsausbau fand in den USA, China, Norwegen, Schweden und Deutschland statt. Die fünf größten Nutzer dieser Energie sind China, USA, Schweden, die Türkei und Japan. Letzteres verwundert wenig, da insbesondere Bade-Anwendungen in die Statistiken für direct-use einfließen. Und Onsen bzw. Heiße Badequellen, sind in Japan seit jeher beliebt. Aber auch viele andere Länder nutzen direct-use, zum Beispiel zum Beheizen von Gewächshäusern für Bananen in Island (vgl. Lund et al. 2010).

Wie funktionieren Geothermal-Heat-Pumps (GHP)?
Geothermal-Heat-Pumps funktionieren wie ein Wärmetauscher. Zunächst wird ein Loch gebohrt, meistens weniger als 200m tief. In einem geschlossenem System wird dann Flüssigkeit in das Bohrloch gepumpt, von der umgebenen Erdwärme erhitzt und zurück an die Oberfläche geführt. Viele dieser Systeme können um ein Kühlsystem erweitert werden, welches Hitze durch Wärmewandler aufnimmt und zur Abgabe oder Speicherung in den Boden pumpt. Somit können diese Systeme sowohl im Sommer kühlen als auch im Winter heizen. Dies geht mit einer signifikanten Reduzierung von CO2 und Stromkosten einher. Außerdem können die Systeme mit Solaranlagen gekoppelt werden.

heat-pump.jpg
picture under creative commons from http://energy-alaska.wikidot.com/heat-pumps

Geothermal-Energie, ein weltweiter Trend in den Erneuerbaren Energien?
Lange Zeit galt Erdwärme als ein standortgebundenes System. Wie sollten Länder, die nicht über entsprechende geologische Aktivität wie z.B. Vulkane verfügen, sich mit ausreichend Erdwärme versorgen können? Tatsache ist aber, dass sich die Technologie in diesem Bereich weiterentwickelt hat. Zum Beispiel wurde in Kenia für einen Farmbetrieb ein binäres Kraftwerk gebaut mit einer Energieleistung von 20 Megawatt. Die Betriebskosten konnten dadurch massiv gesenkt werden (vgl. Lund et. al. 2010 ). In China unterstützt die Regierung den Ausbau von Erdwärme-Kraftwerken um Wohnkomplexe zu beheizen. In Tianjin werden durch GHP ca. 1 Million Menschen versorgt, was jährlich ca. 2,78 Million Tonnen CO2 einspart. In Japan werden ca. 90% der direct-use Kapazität fürs Baden benutzt, dafür können GHPs im gesamtem Land genutzt werden. 2010 waren 17 Geothermale Kraftwerke in Japan im Betrieb (vgl. Bertani 2010). Auch für Deutschland und Europa ist Erdwärme eine lohnenswerte Ergänzung für den Energiemix der Zukunft, insbesondere GHPs. 2010 waren zwei Geothermal-Kraftwerke zur Energieerzeugung in Deutschland im Betrieb (vgl. Lund et. al. 2010). Sogar in Ländern die sehr hoch gelegen sind, wie z.B. Nepal, gibt es Ambitionen für direct-use Anwendungen. In diesem Fall zum Baden, auch touristisch, und als medizinische Anwendung an 25 verschiedenen Orten (vgl. Lund et. al. 2010). Geothermal-Energie ist definitiv ein weltweiter Trend und eine lohnende Ergänzung aus dem Bereich der erneuerbaren Energien.

Quellen:
Lund, Freeston, Boyd. Direct Utilization of Geothermal Energy 2010 Worldwide Review. Proceedings World Geothermal Congress 2010. Oregon-Institute of Technology, USA & University of Auckland, New Zealand. 2010.

Bertani, Ruggero. Geothermal Power Generation in the World2005–2010 Update Report. Enel Green Power. Roma (Italy). 2010.

Bundesverband Geothermie e.V. Geothermiekraftwerk. (https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/g/geothermiekraftwerk.html) (abgerufen am 1.5.2019)


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