Oberflächennahe Geothermie
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Einleitung
Dass die Erde in ihrem Inneren große Hitze birgt, ahnten die Menschen angesichts solcher Phänomene wie Vulkane, Geysire oder Thermalquellen schon sehr lange. Erste Messungen der Erdwärme brachte vor 200 Jahren Alexander von Humboldt von seiner Forschungsreise durch Südamerika mit, wo er mittels eines Reisethermometers bei der Messung von Temperaturen in Höhlen deren Ansteigen mit zunehmender Tiefe feststellte.
In der Literatur wurde schon vor über 150 Jahren die Nutzung der Erdwärme vorgeschlagen: „Diese hohe Temperatur, welche schon jetzt von unermesslicher Wichtigkeit für den Menschen und die Zustände seiner Existenz ist, könnte möglicherweise in später Zukunft noch eine neue wichtige Rolle unter den Hilfsmitteln des menschlichen Lebens spielen. Sollten einst auf der mehr und mehr bevölkerten Erde die Wälder überall stark gelichtet und die Kohlenlager erschöpft sein, so ist es wohl denkbar, dass man die Innenwärme der Erde sich mehr und mehr dienstbar macht, dass man sie durch besondere Vorrichtungen in Schächten oder Bohrlöchern zur Oberfläche leitet und zur Erwärmung der Wohnungen oder selbst zur Heizung von Maschinen verwendet. Man wird freilich nicht früher allgemein und mit Vortheil zu dieser ... Wärmequelle greifen, bis ein empfindlicher Mangel an Brenn¬material dazu nöthigt; dann aber bleibt die Wärme der Mutter-Erde eine sichere letzte Zuflucht.“ Cotta (1858).
Präzise Temperaturmessungen an der seinerzeit mit 1 200 m tiefsten Bohrung der Welt im brandenburgischen Salzstock Sperenberg führten 1867 – 1871 zur Bestimmung der Geothermischen Tiefenstufe von 32,5 m/K (oder 3,1 K/100 m).
Direkte Messungen und Berechnungen ermittelten später je nach geologischen Bedingungen einen Wärmefluss zwischen 0,025 W/m² und 0,125 W/m² (im Mittel um 0,06 W/m²). Als Ursache für diese Wärme wird sowohl die „Restwärme“ der Erdentstehung als auch „Prozesswärme“ von radioaktiven Zerfallsvorgängen im Erdmantel gesehen. Dieser Wärmestrom hat z.B. für die Fläche von Brandenburg immerhin die theoretische Gesamtleistung von etwa 2 000 MW. Das ist wohlgemerkt die auf natürlichem Weg ständig abgegebene Wärme und stellt nicht etwa die durch technische Hilfsmittel gewinnbare Wärme dar. Diese wird durch thermodynamische Eigenschaften und Vorgänge rund um die zu installierenden Anlagen (z.B. Erdwärmesonden) bestimmt und ist je nach technisch erreichbaren Temperaturgradienten und Wärmeleitfähigkeiten der Umgebung um Größenordnungen höher.
Systeme zur Energiegewinnung aus Erdwärme
Oberflächennahe Geothermie
Die oberflächennahe Geothermie nutzt die obersten Schichten der Erdkruste bis max. 400 m Tiefe. Das Temperaturniveau in diesem Bereich liegt bei ca. 10° bis 15° C. Wärmequelle sind das oben erläuterte natürliche geothermische Wärmepotenzial aus dem Erdinneren und im obersten Bereich auch die solare Einstrahlung. Daneben kann auch das fließende Grundwasser sowie die Grundwasserneubildung (z.B. versickerndes Regenwasser) eine gewisse Rolle spielen.
Der geothermische Wärmefluss wird durch die lokalen geologischen Untergrundverhältnisse bestimmt und ist zeitlich konstant, d.h. unabhängig von Tageszeiten und Jahreszeiten. Die bei der Nutzung von geothermischer Energie wirksamen physikalischen Vorgänge lassen sich wie folgt beschreiben: Wird dem Untergrund mit künstlichen Systemen (z.B. Erdwärmesonden) Wärme entzogen, kühlt sich die Umgebung der Entnahmestelle ab (bei Erdwärmesonden bis auf Temperaturen um 3° C) und es entsteht ein entsprechendes Temperaturgefälle, bildlich gesprochen ein „Temperaturtrichter“. Wärme hat die Eigenschaft, solche Temperaturunterschiede so schnell wie möglich wieder auszugleichen, indem Wärme von Gebieten mit höherer Temperatur zu Gebieten mit geringerer Temperatur fließt, bis diese ausgeglichen sind. Die Speisung dieses Wärmeflusses erfolgt einerseits durch „Sammlung“ des natürlichen geothermischen Stromes aus der Tiefe über eine entsprechend des Temperaturtrichters vergrößerte Fläche und dessen Beschleunigung entsprechend des geschaffenen Temperaturgradienten. Da durch die Wärmeentnahme im Untergrund auch ein zusätzlicher Temperaturgradient zur solar beeinflussten Oberfläche erzeugt wird, kommt es andererseits auch zu einer zusätzlichen Wärmespeisung durch solare Wärme. Die oberflächennahe Geothermie ist also gewissermaßen zweifach erneuerbare Energie. Wieviel Wärme in einer bestimmten Zeiteinheit (Wärmeleistung) aus welchen Richtungen zufließen kann wird dabei durch drei wesentliche Größen bestimmt:
- den Temperaturunterschied (Temperaturgradient) und
- die Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen umgebenden Gesteinsschichten sowie
- deren Wärmekapazität (Wärmevorratspotenzial).
Da eine Erdwärmesonde in aller Regel mehrere weitgehend horizontale Gesteinsschichten durchdringt, liefern diese Schichten je nach physikalischen Eigenschaften und Mächtigkeiten unterschiedliche Anteile der gesamten Wärmeleistung (Entzugsleistung) der Sonde. Pro Meter Schichtdicke leisten dabei Gesteine mit hoher Leitfähigkeit einen höheren Beitrag als Gesteine mit geringer Leitfähigkeit. Eine beispielhafte Übersicht der je Meter Schichtdicke zu erzielenden Entzugsleistungen verschiedener Gesteine zeigt die folgende Tabelle aus der VDI Richtlinie 4640 Blatt ?:
| Gestein | Wärmeentzugsleistung [W/m] |
| Kiessand | 60
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In der obigen Tabelle fällt auf, dass Gesteine mit hohem wassergesättigtem Porenvolumen sehr viel bessere Eigenschaften aufweisen als solche mit ungesättigtem Porenraum. Hier werden die sehr gute Wärmeleitfähigkeit und die hohe Wärmekapazität von Wasser deutlich. Kommt in einer solchen Schicht noch eine hohe Strömung des Grundwassers in diesem Porenraum hinzu, so wächst die Wärmezufuhr zusätzlich noch um eine „konvektive“ Komponente.
Diese gezeigten wärmephysikalischen Zusammenhänge machen deutlich, dass die am Standort einer Erdwärmesonde gegebenen konkreten geologischen Verhältnisse großen Einfluss auf die insgesamt zu erzielende Wärmeleistung und damit auf den Aufwand (optimale Anzahl und Tiefe der Sonden) zur Gewährleistung einer vorgesehenen Anlagenleistung haben.
