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Energie: aus der Tiefe
Wir heizen Häuser, Wohnungen und verbrauchen warmes Wasser. Dafür und für vieles mehr wird auf der ganzen Welt jährlich soviel an Erdöl und Erdgas verbraucht, wie in Millionen Jahren gebildet wurde. Erdöl und Erdgas sind jedoch Rohstoffe, die irgendwann einmal zu Ende gehen. Daher muss man schon heute nach Alternativen suchen. Auch, um den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid zu verringern. Es gibt einige so genannte alternative Energien. Eine davon ist die Erdwärme.
Bild: Alexander Stahr
Eine Thermalquelle in Wiesbaden.
Man spricht auch von Geothermie. Der Begriff setzt sich aus den griechischen Wörtern gé für Erde und thérmos für warm zusammen. Denk mal an die Thermoskanne, die Flüssigkeiten warm hält. Dass es im Innern der Erde warm ist, weißt Du natürlich. Stichwort: Vulkane. Aber so heiß wie Magma oder Lava muss es im Untergrund gar nicht sein, um mit Erdwärme zu heizen oder Strom zu erzeugen.
Thermalquelle und Wärmepumpe
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, Erdwärme zu nutzen. Eine Möglichkeit ist die Nutzung von warmem Quellwasser, das von selbst an die Erdoberfläche kommt. Man spricht von Thermalquellen. Das warme Quellwasser kann zum heizen von Gebäuden genutzt werden. Thermalquellen gibt es zum Beispiel in der Hessischen Landeshauptstadt Wiesbaden.
Bild: Michael Wolf
Bohrgerät für die Einbringung der Erdsonde einer Wärmepumpe.
Doch leider gibt es nicht überall Thermalquellen. Daher muss man zu verschiedenen Tricks greifen, um die Wärme der Erde nutzen zu können. So gibt es etwa für Privathaushalte die Wärmepumpe. Ihre Funktion beruht auf einem physikalischen Prinzip.
Unerschöpfliche Energie
Man zählt die Geothermie zu den so genannten regenerativen oder alternativen Energien, zu denen beispielsweise auch der Strom aus Wasserkraftwerken und Solaranlagen gehört. Regenerativ sagt man deshalb, weil die Erdwärme solange vorhanden ist wie es unseren Planeten gibt. Zudem ist Erdwärme unabhängig vom Wetter und von den Jahreszeiten. .
Ab etwa 15 Meter unter der Geländeoberfläche herrscht über das ganze Jahr eine Temperatur von rund zehn Grad Celsius. Diese eigentlich recht niedrige Temperatur reicht aus, um ein Haus zu heizen. Dazu folgendes: Du kennst das Gefühl, wenn Du im Schwimmbad aus dem Becken steigst. Dir wird kälter, weil das Wasser auf Deiner Haut verdunstet. Das Wasser geht dabei vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Wenn Flüssigkeiten in den gasförmigen Zustand übergehen, nehmen sie Wärme auf und umgekehrt.
Das Prinzip der Wärmepumpe
Bild: Michael Wolf
Der dazugehörige Bohrkopf und das Gestänge.
Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen. Vom Prinzip her wird eine Flüssigkeit, die im Untergrund durch ein Rohr zirkuliert, dazu gebracht, in den gasförmigen Zustand überzugehen. Dabei nimmt sie die Wärme des Untergrundes auf. Das Gas wird anschließend verdichtet, wodurch wieder Wärme abgegeben wird. Und zwar deutlich mehr als aufgenommen wurde, weil einem physikalischen Prinzip zufolge bei höherem Druck die Temperatur steigt. Das können bei Wärmepumpen über 70 Grad Celsius sein. Die erzeugte Wärme wird danach der Heizung zugeführt. Das Ganze funktioniert in einem Kreislauf.
Geothermische Kraftwerke
Neben dieser flachen Geothermie, die bis eine Tiefe von 400 Metern reicht, gibt es die tiefe Geothermie für größere Kraftwerke ab 400 bis über 2000 Metern Tiefe. Hierbei gibt es zwei Systeme. Entweder man bohrt in Bereiche mit heißem Grundwasser oder man schickt kaltes Wasser in heiße Bereiche im Untergrund, was man als Hot Dry Rock Geothermie bezeichnet. Wenn Du die Grafik vergrößerst, kannst Du Dir den Unterschied genau ansehen. Das erste geothermische Kraftwerk überhaupt nahm seinen Betrieb im Jahr 1904 in der italienischen Stadt Larderello auf.
Geothermie in Hessen
Bild: HLUG
Nutzungsformen der Geothermie.
Hessens Energieministerin Silke Lautenschläger rechnet im kommenden Jahr mit dem Start des ersten hessischen Tiefengeothermie-Projekts zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung. Ein Projektstart sei möglich und die Landesregierung sei bereit, die mehrere Millionen Euro teure Bohrungen von mindestens 2000 Meter Tiefe zu fördern, sagte die Ministerin vor Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik in Darmstadt.
Laut der Ministerin kann die Kraft aus der Tiefe einen wichtigen Beitrag für die künftige Versorgung mit Strom und Wärme leisten. „Die Erdwärme aus mehreren Kilometern Tiefe steht unabhängig vom Wetter rund um die Uhr zur Verfügung. Das unterscheidet sie von anderen erneuerbaren Energien“, betonte sie.
Woher stammt eigentlich die Erdwärme?
Bild: Alexander Stahr
Aufbau der Erde mit Temperaturbereichen.
Das wirst Du Dich sicher schon gefragt haben. Nach heutigem Kenntnisstand ist die Erdwärme auf drei Ursachen zurückzuführen: Ein Teil der Erdwärme ist ein Überbleibsel aus der Frühzeit unserer Erde. Beim Aufprall kosmischen Materials wurde ein Großteil seiner Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Mit zunehmender Ansammlung von neuem Material vergrößerte sich die Masse der Erde und somit der Druck im Innern des Planeten, was ebenfalls einen Temperaturanstieg bewirkte.
Eine heiße Sache
Eine besonders heiße Zone in Deutschland ist der Oberrheingraben. Dort nimmt die Temperatur pro 1.000 Meter Tiefe um mehr als 50 Grad Celsius zu. In fast 3.000 Metern Tiefe hat dort Wasser eine Temperatur von 150 Grad Celsius.
Der dritte und wahrscheinlich wichtigste Prozess, der zur Erdwärme führt, beruht auf dem Zerfall radioaktiver Elemente wie beispielsweise Uran. Bei ihnen zerfallen die Atome spontan durch die Aussendung eines Elektrons oder so genannten Alphateilchens. Die freigesetzten Teilchen werden vom umgebenden Material absorbiert. Dabei wird Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt, die ausreicht, um seit Milliarden von Jahren die Gesteine teilweise zum Schmelzen zu bringen.
Bild: Johann-Gerhard Fritsche
Bohrturm für eine tiefe Bohrung.
Im Durchschnitt nimmt die Temperatur auf 100 Meter Tiefe um drei Grad Celsius zu. Von diesem Mittelwert treten jedoch Abweichungen auf. Sie stehen in Abhängigkeit vom lokalen geologischen Bau der Erdkruste, von der Temperaturleitfähigkeit der Gesteine, der Gesteinslagerung, der Ausprägung der Erdoberfläche (Berge, Meere etc.) und dem Auftreten von besonderen Wärmequellen wie Magma, das nach oben steigt.
An einigen Stellen der Erde erreicht die Temperatur in 30 bis 40 Kilometern Tiefe 1000 Grad, an anderen liegt sie in der gleichen Tiefe erst bei 500 Grad. Da radioaktive Elemente verstärkt in den ersten Kilometern unter der Erdoberfläche vorkommen, nimmt die Temperatur mit zunehmender Tiefe langsamer zu. Von der Obergrenze des Erdmantels bis zu seiner Untergrenze in 2900 Metern Tiefe reichen die Temperaturen von etwa 1000 bis 3700 Grad.
Alexander Stahr