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1 1 Einführung Die Erde ist der größte Gesteinsplanet in unserem Sonnensystem. Alle anderen Planeten sind kleiner oder bestehen wie Jupiter hauptsächlich aus Gas in stark komprimiertem Zustand. Die Erde entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Während der ersten rund 100 Millionen Jahre der Erdgeschichte haben die kinetische Energie einschlagender Meteoriten und die Wärmeproduktion des radioaktiven Zerfalls die Erde erhitzt, bis sie vollkommen geschmolzen war. Als Folge der Gravitation haben sich die schweren Elemente (im wesentlichen Eisen und Nickel) im Inneren der Erdkugel angereichert, während sich die leichteren Bestandteile (vor allem Silikate) an der Oberfläche abgelagert haben. Nach seismischen Messungen besteht die Erde heute hauptsächlich aus vier Schalen (vgl. Abbildung 1.1). Der innere Kern ist in Folge des hohen Drucks fest, es folgen der flüssige äußere Kern, der Erdmantel (unterer Mantel, Übergangszone, oberer Mantel) und die sehr dünne Erdkruste. Die Erdkruste und der obere Teil des oberen Mantels werden zusammen Lithosphäre genannt. Sie ist zwischen 50 und 100 km dick und besteht aus den tektonischen Platten, die die Kontinente tragen. In Abbildung 1.1 sind neben der Größenordnung der Radien der Schalen auch die Temperaturen an ihrem äußeren Rand angegeben. U. a. aus diesen Informationen lässt sich der Wärmestrom aus dem Inneren der Erde an die Erdoberfläche abschätzen. Der Wärmestrom Q & durch eine Kugelschale mit den Radien r i und r a und den Temperaturen ϑ i und ϑ a ist nach dem VDI-Wärmeatlas: 4 Q& π λ = ( ϑi ϑa ) (1.1) 1/ ri 1/ r a Geht man von einer mittleren Wärmeleitfähigkeit der Erdkruste von λ 2 W / m K aus, so ergibt sich eine stetiger Wärmestrom von Q& = 2, W

2 Abb. 1.1: Aufbau der Erde (Foto: NASA, Apollo 17) Dies entspricht auch dem theoretischen geothermischen Potenzial, das in dieser Größenordnung natürlich nicht nutzbar ist. Diese Zahl mag auf den ersten Blick groß erscheinen, ist jedoch bei einer Erdoberfläche von m² flächenbezogen mit 0,05 W / m² recht gering. Zum Vergleich: Die Sonneneinstrahlung liegt an der Erdoberfläche bei senkrechtem Einfall bei ca W / m². Für Deutschland mit einer Fläche von km² ergibt sich aus diesen Zahlen ein theoretisches Potenzial für geothermische Energie von etwa 1, W. Dies entspricht mit einer jährlichen Energiemenge von rund 140 TWh etwa 3,5 % des Primärenergieverbrauchs des Jahres 2004 in Höhe von TWh. 2

3 Mit größeren Beiträgen der Geothermie zum Energiehaushalt der Erde oder auch nur Deutschlands ist daher nicht zu rechnen. Allerdings ist das Potenzial der Geothermie in Folge geologischer Unterschiede lokal sehr unterschiedlich. Insbesondere dann, wenn vulkanische Anomalien auftreten, sind die Temperaturen schon in nicht allzu großer Tiefe hoch. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die tektonischen Platten aufeinander stoßen (vgl. Abbildung 1.2). Abb. 1.2: Grenzen der tektonischen Platten (Grafik: International Geological Association) (1: vulkanische Tätigkeit, 2: Plattengrenzen, 3: Plattenverschiebungen) Technisch können heute Bohrungen bis zu Tiefen von m herab gebracht werden; die tiefsten Forschungsbohrungen haben eine Tiefe von ca m. In diesen technisch darstellbaren Tiefen ist der überwiegende Mechanismus des Wärmetransports Wärmeleitung. Daher sollte eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds vorliegen. Das ist immer dann der Fall, wenn der Boden viel Wasser enthält, wenn also ein Aquifer vorliegt, eine poröse, wasserhaltige Schicht, die im günstigsten Fall unten und oben von wasserundurchlässigen Schichten abgedichtet wird. Dieser Typ der Geothermie wird hydrothermale Geothermie genannt und benötigt zwingend wasserführende Schichten. Im Normalfall ist die Energiedichte nicht allzu groß. 3

4 Waren Neustadt-Gewe Neubrandenburg Groß Schönebeck Soultz Straubing Urach Erding Altheim Riehen Abb. 1.3: Potenziale der hydrothermalen Geothermie in Deutschland Die nach dieser einfachen Überlegung beurteilten geothermischen Potenziale in Deutschland sind in Abbildung 1.3 dargestellt. Die gesamte Norddeutsche Tiefebene und das Voralpenland südlich der Donau, insbesondere aber der Rheingraben sind Gebiete, in denen man in Deutschland an die Nutzung geothermischer Energie denken kann. Für oberflächennahe Nutzungen der Geothermie kommen aber auch alle anderen Gegenden in Frage, wenn nur eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit des Bodens vorliegt. Im Rheingraben sind auf Grund vulkanischer Anomalien in Deutschland die höchsten Temperaturen in der Erde anzutreffen, was Abbildung 1.4 verdeutlicht. Auch wenn es in solchen Gebieten kein Aquifer gibt, so kann man doch Wasser von der Erdoberfläche in die Tiefe pressen, sofern das Gestein porös ist oder z. B. durch Sprengungen porös gemacht worden ist. Das Wasser wird durch das Gestein erwärmt und in einiger Entfernung durch eine zweite Bohrung entnommen. Wegen des trockenen Gesteins heißt das Verfahren Hot Dry Rock (HDR) - Verfahren. 4

5 Abb. 1.4: Temperaturen in m Tiefe, Potenziale für Tiefe Geothermie (Grafik: GGA Hannover) Die lokalen Unterschiede im geothermischen Potenzial werden von Abbildung 1.5 demonstriert, in der Temperaturen unterschiedlicher Bohrungen verglichen werden. Die Versuchsbohrung des Geoforschungszentrums Potsdams in Groß Schönebeck nördlich von Berlin entspricht in etwa durchschnittlichen Temperaturverhältnissen für Deutschland. Die im Rheingraben auf Grund leichter vulkanischer Aktivitäten demgegenüber deutlich erhöhten Temperaturen erkennt man an Hand der Bohrung im französischen Soultz. Wie stark die Temperaturen in Folge vulkanischer Aktivitäten ansteigen können, zeigt die italienische Bohrung in Lardello in der Toskana, in der schon in 400 m fast 200 C, in m sogar 330 C erreicht werden. Dort sind sogar Dampferzeugung und der Betrieb eines im Prinzip herkömmlichen Dampfkraftwerks möglich. 5

6 Abb. 1.5: Temperaturen unterschiedlicher Bohrungen Mit Ausnahme des Versuchskraftwerks in Neustadt-Glewe handelt es sich in Deutschland bei geothermischen Anlagen ausschließlich um Heizwerke, die mit einem Fernwärmenetz Energie für die Gebäudeheizung anbieten. Allerdings sind verschiedene Kraftwerke z. Zt. geplant bzw. im Bau. Die bisherigen Bemerkungen bezogen sich ausschließlich auf die tiefe Geothermie. Natürlich lässt sich auch aus deutlich geringeren Tiefen Wärme z. B. mit einer Wärmepumpe entnehmen. Wenn man bedenkt, dass die Erde auf Grund ihrer enormen Speicherkapazität schon in wenigen Metern Tiefe die durchschnittliche Lufttemperatur annimmt und von den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen nicht mehr beeinflusst wird, so sind auch Anwendungen im Bereich der Klimakälte denkbar. Daher ist eine Klassifikation geothermischer Anlagen nach Bohrtiefe und damit einhergehender Anwendung sinnvoll. Diese Klassifikation ergibt sich auch aus der rechtlichen Situation. Ab 100 m Tiefe werden in Deutschland Anlagen bergrechtlich genehmigungspflichtig. Da ein solches bergrechtliches Genehmigungsverfahren aufwändig und langwierig ist, bemüht man sich natürlich darum, dieses Verfahren zu vermeiden, also nur bis in Tiefen von weniger als 100 m Tiefe zu bohren. Diese Anlagen bedürfen dann»nur«einer wasserrechtlichen Erlaubnis zur Benutzung des Grundwassers nach dem Wasserhaushaltsgesetz. Bis etwa 10 m Tiefe kann kostengünstig mit normalen Tiefbautechniken und einfachen Brunnenbohrtechniken gearbeitet werden. 6

7 Abb. 1.6: Einteilung geothermischer Systeme nach Tiefe und Art der Anwendung Bei der tiefen Geothermie sind Temperaturen zwischen ca. 130 und 350 C möglich; folglich ist neben der Direktheizung auch die Stromerzeugung möglich, bei der»flachen«geothermie bis zu 100 m Tiefe steht das Rückkühlen, also die Kälteerzeugung oder die Nutzung als Wärmequelle für Wärmepumpen im Vordergrund. 7

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