Geothermie




Ergänzungen
Ende 2014:
Daten update

Zur Bedeutung der Geothermie

Unter Geothermie verstehen wir die Nutzung der thermischen Energie (Erdwärme), die im Inneren der Erde gespeichert ist. Die Vorteile und Nachteile dieser Energiequelle sind ausführlich in Energie2 behandelt worden. Ihre Vorteile sind:
  • Die Erdwärme ist praktisch unerschöpflich. Ihre Ursache ist im Wesentlichen die Kernenergie, das bedeutet, das Erdinnere stellt eigentlich eine Kernschmelze dar.
  • Die Erdwärme ist im Prinzip überall und immer verfügbar. Die charakteristischen Probleme von anderen Formen erneuerbarer Energien, dass sie nämlich erst in eine speicher- und transportfähige Energieform umgewandelt werden müssen, entfallen bei der Geothermie.
Auf der anderen Seite ist der große Nachteil der Geothermie:
  • Es ist äußerst schwierig, diese Energiequelle auch technisch zu erschließen. Der Grund dafür ist die sehr geringe Wärmeleitfähigkeit der Erdkruste.

Wegen der Vorteile machen Länder trotzdem große Anstrengungen, die Erdwärme zu nutzen. Diese Pläne wurden und werden (nach meiner Kenntnis auch heute noch) von der Weltbank und damit global mit Investitionskrediten gefördert. In der Abbildung unten sind die Orte auf der Welt gezeigt, an denen Anlagen zur Nutzung der Erdwärme entstehen oder entstanden sind. Dabei sind besonders jene ausgezeichnet, welche von der Weltbank gefördert wurden.

Die Orte mit Nutzung von geothermischen Energiequellen (nach der Weltbank (WB)). Es bedeuten:

Die Nutzung der Erdwärme besteht in ihrer Wandlung in (siehe Energie2):
  1. elektrische Energie (dies ist eine Form der Endenergie),
  2. thermische Energie (dies ist eine Form der Nutzenergie).
Auf die Möglichkeit, im 2. Wandlungsprozess auch eine Wärmepumpe einzusetzen, wird in einem anderen Kapitel eingegangen. Diese Möglichkeit ist auch in Energie2 besprochen worden, diese Beiträge an thermischer Energie sind in der Abbildung und der Liste unten enthalten.
rote Punkte
elektrische
 Energie
blaue Punkte
thermische
 Energie
grüne Punkte
HDR-Verfahren

gelbe Punkte
gefördert von
 der Weltbank

Die Nachteile der Geothermie sind dafür verantwortlich, dass sie z. Z. nur mit einem ganz geringen Anteil in der Versorgung der Welt mit Primärenergie vertreten ist. In der Abbildung rechts ist die Entwicklung der weltweit installierten Leistung gezeigt, normiert auf den jeweiligen Primärenergiebedarf. Die tatsächliche genutzte Leistung ist geringer, sie wird vermindert um den Kapazitätsfaktor , dessen Größe von Land zu Land verschieden ist, denn er ist abhängig von der Qualität der geothermischen Quelle. In der Tabelle unten sind diese Abhängigkeiten deutlich zu erkennen. Die Tabelle zeigt jene Länder, in welchen die Menge der tatsächlich genutzten elektrischen Energie die Grenze von 1 · 109 kWh a-1 übersteigt. Deutschland, zum Beispiel, gehört nicht zu diesen Ländern.

Die Entwicklung der installierten thermischen(rot) und elektrische(blau) Leistung von 1975 bis 2010, normiert auf den jeweiligen Primärenergiebedarf


Schaut man auf die dabei erzielten Kapazitätsfaktoren von ca. 0.7, so sind diese  überraschend hoch, wenn man sie z.B. mit denen vergleicht, die mit der Windenergie erzielt werden.  Trotzdem besitzt die Geothermie (abgesehen von Island) nur einen Anteil von etwa 0.1%  an der Versorgung mit Primärenergie, selbst wenn man für die Berechnung die Substitutionsmehode heranzieht. Das ist 30mal geringer als der Anteil der Wasserenergie, die in Kap.3.5 behandelt ist. Der Grund für den geringen Versorgungsgrad ist nicht, dass die Erdwärme nicht in ausreichender Menge vorhanden ist.


elektrische Energie
(109 kWh a-1)
thermische Energie
(109 kWh a-1)

Land
install.
Leistung
genutzte
Leistung
Kapaz.-
faktor
install.
Leistung
genutzte
Leistung
Kapaz.-
faktor
Versorgungs-
grad
USA
27.2
15.0
0.55
110
15.7
0.14
0.0014
Philip-
pinen
16.7
10.3
0.62
0.029
0.011
0.38
0.042
Mexiko
7.77
6.50
0.84
1.37
1.12
0.82
0.0048
Neu-
seeland
6.94
5.55
0.80
3.44
2.66
0.77
0.025
Italien
6.76
5.75
0.85
8.76
3.49
0.40
0.0056
Island
5.83
4.47
0.77
17.5
6.85
0.39
0.22
Japan
4.71
2.63
0.56
18.4
7.14
0.39
0.0018
.....







Welt
93.7
63.0
0.67
443
122
0.28
0.0011
Die Länder mit den größten geothermischen Vorkommen, geordnet nach der gewandelten elektrischen Energie. Der Versorgungsgrad bezieht sich auf den Primärenergiebedarf am Ende von 2011, wobei zur Berechnung die Substitutionsmethode benutzt wurde.

Sondern der Grund ist, dass die Technik, diese auch nutzbar zu machen, äußerst schwierig ist und noch viel Entwicklungsarbeit erfordert. Wir werden auf dieses Problem wenig später bei der Behandlung des "Hard-Dry-Rock-Verfahrens" (HDR) noch einmal zurückkommen.

Die in der obigen Tabelle angegebenen Werte für die Kapazitätsfaktoren ergeben sich aus dem Verhältnis von gewandelter zu installierter Leistung. Sie berücksichtigen im Wesentlichen nur den Bruchteil, mit dem die Anlagen wirklich elektrische Energie ins Netz eingespeist haben, und nicht den Wirkungsgrad 1,3, mit dem thermische in elektrische Energie in den Anlagen gewandelt wurde (siehe Energie2). Die Höhe dieses Wirkungsgrads hängt von der Wassertemperatur der geothermischen Quellen ab (siehe Energie2), er ist deshalb von Quelle zu Quelle verschieden. Ich schätze den Wert auf 1,3 0.2, so dass sich ein typischer Nutzungsgrad von 1,3 = 1,3 0.14 ergibt, der etwa doppelt so groß ist wie der von deutschen Windkraftwerken.

Wird geothermische Energie allein zu Heizzwecken verwendet, sind die Verhältnisse besser, denn
die Endenergie (Wärme) wird direkt der Erdkruste entnommen und muss nicht gewandelt werden. Die für die Förderung benötigte Energie ist gering und daher der Wirkungsgrad 1,3  0.9  relativ groß. Das mag ein Grund dafür sein, dass die Geothermie zu Heizzwecken stärker zugenommen hat als zur Elektrizitätsversorgung, siehe Abbildung oben.  Die Tatsache, dass im Fall der USA  der Kapazitätsfaktor dagegen so extrem klein ist, deutet wahrscheinlich darauf hin, dass die Wärme während eines Jahrs nur zu einem Bruchteil wirklich benötigt wird, z.B. für die Schwimmbadheizung1).
  
Die USA sind das Land, in dem die Entnahme der thermischen Energie aus der Erdkruste am stärksten entwickelt ist. Dies liegt an der besonderen geologischen Situation der USA, wie sie in der Abbildung rechts dargestellt ist. Diese Landkarte zeigt die Temperaturverteilung in der Erdkruste der USA in einer Tiefe von etwa 5000 m. Besonders im Westen der USA existieren Gebiete mit Temperaturen von über 200 oC, die oft auch leicht zugänglich sind, weil das heiße Wasser direkt an die Oberfläche tritt. Dies  ist z.B. der Fall bei den bekannten Geysiren im Yellowstone National Park. Welches Potenzial die Geothermie für die USA besitzt, wurde kürzlich in einem Bericht des Massachusetts Institute of Technology untersucht.


Die Temperaturverteilung in 5000 m Tiefe unter den USA
Ist das Wasser nicht so leicht zugänglich, wie es viel öfter und in den meisten Ländern der Fall ist, dann muss es mithilfe von Tiefbohrungen erschlossen werden. Dieses Verfahren wird als HDR-Verfahren bezeichnet, es wurde in Energie2 beschrieben. Die HDR-Methode befindet sich noch im Erprobungsstadium, einer der ersten Erprobungsorte ist Soultz-sous-Forets im Rheingraben zwischen Deutschland und Frankreich2). Die Erprobung begann im Jahr 1987, heute und fast 30 Jahre später ist die Tiefbohrung zur Heißwasserentnahme bis auf eine Tiefe von 5000 m vorgetrieben worden und das geförderte Wasser besitzt eine Temperatur von ca. 200 oC. Damit ließe sich ein Kraftwerk mit einer installierten elektrischen Leistung von 0.013 · 109 kWh a-1 betreiben. Diese Leistung sollte verglichen werden mit der installierten Leistung eines einzigen deutschen Kernkraftwerks, die bei etwa 10 · 109 kWh a-1 und damit um einen Faktor 770 höher liegt. Die geothermischen Bedingungen in Europa und insbesondere die deutschen Projekte zur geothermischen Nutzung werden in einem Sonderkapitel vorgestellt.

Fortgeschrittene Pläne, die Erdwärme mithilfe des HDR-Verfahrens nutzbar zu machen, wurden insbesondere in Japan auf der Insel Honshu und in Australien entwickelt und befinden sich in verschiedenen Stadien ihrer Realisierung. Je nach dem, wie groß man die Chancen der Realisierung einschätzt, unterscheiden sich auch die Angaben über die Zukunftsaussichten der Geothermie. Von besonderer Bedeutung ist, wie hoch ihr Beitrag zur Wandlung in elektrische Energie eingeschätzt wird1). Die Werte reichen von total 330 · 109 kWh a-1 bis zu 42000 · 109 kWh a-1, wobei der erste Wert wohl derjenige ist, der einer realistischen Einschätzung entspricht, wenn man an die noch verbleibende Zeit bis zum Jahr 2050 und die Schwierigkeiten mit dem HDR-Verfahren denkt (siehe hierzu den Artikel in CNET).


1) Da thermische Energie nur über sehr kurze Strecken transportiert werden kann (siehe Energie2), ist thermische Energie aus Erdwärme nur dort selbst von Nutzen, wo auch ein Bedarf nach ihr besteht. Diese Bedingung schränkt ihr Versorgungspotenzial gravierend ein.
2) Die homepage der Anlage ist nicht mehr zugänglich, was darauf hinweist, dass etwas nicht in Ordnung ist.