 Hintergrund |
|
Sonnennebel
Großansicht
|
Entstehung der Erdwärme
Die Erdwärme stammt aus der Zeit der Entstehung der Erde vor ca. 4,5 Mrd. Jahren, wo sich Materie in einem Sonnennebel durch Gravitation zu einem Planeten verdichtete und dabei stark erhitzte. Durch Abkühlung der Außenschicht bildete sich nach und nach eine feste Erdkruste, die auch isolierend wirkte, wodurch die Anfangshitze im Erdinnern zum Teil erhalten blieb. Geschätzte 40 % der Erdwärme stammen aus dieser Restwärme im Erdinnern. Die restlichen 60 % ergeben sich aus dem Zerfall diverser radioaktiver Elemente in der Erde, die kontinuierlich Wärme erzeugen, sich dabei aber nach und nach in nicht radioaktive Elemente umwandeln.
|
|
Aufbau der Erde
Großansicht
|
Diese Energiequelle nimmt also langsam ab, ebenso auch die Restwärme aus der Zeit der Geburt unserer Erde. Es findet nämlich eine Wärmeleitung vom heißen Erdinnern an die Erdoberfläche statt. Mit nur 0,063 W/m² [1] ist sie zwar sehr gering, sorgt aber zusammen mit Vulkanausbrüchen, Erdbeben und sonstiger Tektonik für eine allmähliche Abstrahlung der Wärme. Im Vergleich zum riesigen Energievorrat der Erdwärme ist dieser laufende Energieverlust durch Wärmeabstrahlung aber so klein, dass die Erdwärme erst nach Milliarden Jahren zur Neige geht. An für Menschen relevanten Zeiträumen gemessen kann daher die Erdwärme als unerschöpfliche natürliche Energiequelle gelten, weshalb sie zu den erneuerbaren Energien zählt.
|
Prinzip der
Wärmepumpe
Großansicht
|
Gebäudeheizung mit Wärmepumpe
Obwohl die Energiedichte (0,063 W/m² [1]) der Erdwärme sehr klein ist, kann sie mittels Wärmepumpe in Kombination mit Erdsonden genutzt werden. Wärmepumpen funktionieren im Prinzip wie ein Kühlschrank: Es wird Wärme aus dem Erdreich (Innenraum des Kühlschranks) in die Häuser gepumpt (Außenbereich des Kühlschranks) [2]. Normalerweise gleichen sich unterschiedliche Temperaturniveaus von oben nach unten aus, d.h. z.B. dass im Winter die Wärme aus einem beheizten Haus zum niedrigen Temperaturniveau nach außen dringt. Unter Einsatz von Energie kann dieser Vorgang umgekehrt werden, d.h. Wärmepumpen holen Energie aus einer kälteren Umgebung und pumpen sie auf ein höheres Temperaturniveau. Mit einem Energieeinsatz von 1 kWh für die Wärmepumpe können rund 3 - 4 kWh Energie aus dem Erdreich entnommen und für die Gebäudeheizung gewonnen werden [3].
|
Energiefluss
Großansicht S.11
|
Treibhausgasbilanz bei der Wärmepumpen-Gebäudeheizung
Der Nachteil dieser Heizungsart ist, dass Wärmepumpen üblicherweise mit Strom aus dem normalen Netz angetrieben werden.
Wird bei der Treibhausgas-Bilanz der durchschnittliche deutsche Strommix mit 600 g CO2 pro kWh
[4] angesetzt, ergibt sich im günstigen Fall ( Jahresarbeitszahl 4)
rein rechnerisch dann 600/4 g CO2 = 125 g CO2/kWh.
Werden auch die Treibhausgase über den gesamten Lebenszyklus (Produktion,
Vertrieb, Einbau, Wartung, Entsorgung) der Wärmepumpe mit einbezogen (GEMIS-Datenbank),
ergebt sich ein Emissionswert von ca. 167 g CO2/kWh, deutlich schlechter als eine Holzpellet-Heizung (32 g CO2/kWh) und besser als eine Erdgas-Brennwertheizung mit Solarkollektor (224 g CO2/kWh) [5].
|
Klimabilanz von
Heizungssystemen
Großansicht. S.15
|
Die Treibhausgas-Bilanz würde deutlich besser ausfallen, falls die Wärmepumpe mit Erdgas statt mit Strom angetrieben wird
und die Abwärme der Wärmepumpe zusätzlich für die Gebäudeheizung (KWK) genutzt wird: ca.148/4 g CO2/kWh = 37 g CO2/ kWh [6].
Wird die Wärmepumpe mit Biogas angetrieben, liegt der Emissionswert bei Null, weil nur soviel CO2-emittiert wird wie zuvor beim Wachstum der Biomasse aus der Umwelt entnommen wurde. Wird zusätzlich noch die Abwärme der Pumpe für die Heizung genutzt (KWK), ergibt sich insgesamt sogar ein CO2-Einspareffekt, also ein negativer Emissionswert, denn durch die Abwärmenutzung reduziert sich der Einsatz von fossilen Energien und in der Folge der Treibhausgas-Ausstoß [7].
|
|
Geothermie-Heizung und Kraftwerke
Im Normalfall nimmt die Temperatur um 3 °C pro 100 m Tiefe zu, d.h. 100 °C heißes Wasser z.B. ist erst in einer Tiefe von rund 3300 m zu erwarten. Die Erdkruste weist aber an einigen Stellen Anomalien auf, die deutlich höhere Temperaturen bieten. In Neustadt-Glewe (Mecklenburg-Vorpommern) z.B. wird 98 ° C heißes Wasser aus 2250 m Tiefe genutzt, um damit mehrere Tausend Wohnungen ohne Wärmpumpe direkt zu heizen und ein Geothermie-Kraftwerk zu betreiben [8]. |
Geysire weltweit
Großansicht |
An Stellen vulkanischen Ursprungs liegen heiße Gesteinsschichten teils so oberflächennah, dass sie über Bohrungen wirtschaftlich erschlossen werden können. In Island (und ca. 35 weiteren Orten weltweit) dringt heißes Wasser sogar bis an die Oberfläche (Geysire) und stellt bereits mehr als 50 % der Primärenergie Islands bereit. Zusammen mit Wasserkraft deckt Island 99,9 % seines Stroms nur aus erneuerbaren Quellen [9]. Das technisch/ wirtschaftlich nutzbare Potenzial ist weitaus größer und Island könnte künftig zu einem wichtigen Exporteur erneuerbarer Energie werden ( -> europaweites Verbundnetz).
|
Funktionsschema
Großansicht/ Infos
|
Das bundesweit erste Geothermie-Kraftwerk ging am 12.11.03 in Neustadt-Glewe (Mecklenburg-Vorpommern) ans Netz. Das Kraftwerk mit einer Nennleistung von 210 kW liefert Strom für etwa 500 Haushalte, wie die Erdwärme-Kraft GbR als Betreiber mitteilte. Zur Stromgewinnung nutzt die Anlage 98 °C heißes Wasser aus einer Tiefe von ca. 2250 m in der Erdkruste. Das mäßig heiße Tiefenwasser erhitzt einen organischen Stoff, der bereits bei ca. 30 °C siedet und so als Turbinendampf zum Antrieb von Generatoren genutzt wird. Das Niedrigtemperatur-Kraftwerk deckt laut Betreiberangaben den Bedarf von 500 Haushalten (Weitere Daten [BINE 09/2003])
Beispiele für Stromgestehungskosten aus Geothermie (in Cent/kWh):
Norddeutsches Becken: 21,8 ohne KWK, 18,4 mit KWK;
Oberrheingraben: 16,8 ohne KWK; 13,4 mit KWK [10] .
Die Kosten liegen deutlich höher als bei anderen Ökostromarten, z.B.: Solarstromimport aus Spanien 9-12; Windpark an Land 8-9 bzw. auf See 6-8 [11]
|
| |
Förderung durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)
Nach der letzten Novellierung des EEG vom 25.10.08 wird Geothermie-Strom in Deutschland ab 2009 differenziert nach Leistungsgröße 20 Jahre lang mit einem konstanten Betrag gefördert (Angaben in Cent/kWh): bis 5 MW: 15; bis 10 MW: 14; bis 20 MW: 8,95, über 20 MW: 7,16 [12]
|
|
Potenzial der Geothermie
Laut DLR-Studie "Energie[r]evolution" könnte mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten der gesamte Energieverbrauch der Erde durch Geothermie abgedeckt werden, das Potenzial liegt beim 5-Fachen. Verglichen mit anderen erneuerbaren Energien bietet die Geothermie global gesehen jedoch mit Abstand das niedrigste Potenzial: Biomasse 20-Fach, Wind 200-Fach, Sonne 2850-Fach [13].
Angesichts dieser Relationen scheint das Geothermie-Potenzial global gesehen weniger relevant zu sein. Regional (z.B Island) kann es aber schon derzeit eine herausragende Rolle spielen. Geothermie-Strom aus Island könnte auch in ein europaweites Stromnetz (Super-Grid) eingespeist werden [14].
|
Wasserstoffwirtschaft
Großansicht/ Artikel
|
In der Vergangenheit gab es immer wieder Diskussionen zur Nutzung der ergiebigen isländischen Geothermie für die Wasserstofferzeugung per Elektrolyse mittels Geothermie-Strom, um damit eine Wasserstoffwirtschaft zu initiieren [15].
Die gesamte Energieumwandlungskette von der Gewinnung des Wasserstoffs per Elektrolyse aus Wasser bis hin zur Verbrennung des Wasserstoffs in Brennstoffzellen oder Gasmotoren hat aber nur einen Wirkungsgrad unter 30 %, während die direkte Nutzung des Ökostroms z.B. in Elektroautos Wirkungsgrade über 90 % erzielt [16]. Statt den verlustreichen Energiepfad über Wasserstoff zu gehen, ist es weitaus sinnvoller, Geothermie-Strom aus Island in ein europaweites Stromnetz (Supergrid) einzuspeisen und damit z.B. Elektroautos anzutreiben.
|
|
|
|
