Geothermie und ihre Nutzung

Die Ausgangslage:

Wir leben immer noch in einer fossilen Welt. Über 80 % unseres Gesamtenergieverbrauchs basieren auf Erdöl und Erdgas. Kohlendioxid (CO2) und andere Treibhausgase führen zu einer Veränderung des Klimas, die Belastung durch Feinstaub und Kleinstpartikel haben gesundheitliche Konsequenzen.

Die erneuerbaren Energien sind im Anlauf. Unter diesen weist die geothermische Energie einen besonderen Stellenwert auf, denn sie steht jederzeit, unabhängig von Wind, Wetter und Sonneneinstrahlung zur Verfügung.
Die Erdwärme ermöglicht die Beheizung von kleinen Einfamilienhäusern bis zu grossen Bürokomplexen.
Der Untergrund eines Gebäudes kann ebenso zur Kühlung genutzt werden.
Diese Energiequelle ist nachhaltig, emissionsfrei und weist gewaltige Potenziale auf.

Ursprung der geothermischen Energie
Die Geothermie ist die im oberen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie und zählt zu den regenerativen Energien.

Geothermie stammt zum Teil (geschätzt: 30-50 Prozent) aus der Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung, zum anderen (geschätzt: 50-70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugen. Oberflächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu.

Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen zwischen 4500 °C und 6500 °C.
Fast überall hat das Erdreich in 1 Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C.

Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung
Die Erde ist vor zirka 4,6 - 4,7 Milliarden Jahren durch Akkretion von Materie entstanden. Hierbei erhitzt sich das Material, wobei kinetische Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie ist dank der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe an den Weltraum bis heute zum Teil erhalten geblieben. Sie sind als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung bezeichnet worden.

Radioaktive Zerfallsprozesse
Dieser Anteil der Geothermie entsteht durch den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z.B. Uran-235 und U-238, Thorium-232 und Kalium-40. Diese Elemente sind in die Kristallgitter bestimmter Minerale eingebaut. Es handelt sich um eine natürliche Form der Kernenergie.

Einteilung der Geothermiequellen
Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird unterscheiden zwischen:

1. der Nutzung der oberflächennahen Geothermie für den direkten Gebrauch, d.h. zum Heizen und Kühlen, meist in Form einer Wärmepumpenheizung
2. oder der Nutzung der tiefen Geothermie für den direkten Gebrauch im Wärmemarkt oder auch indirekt zur Stromerzeugung

Tiefe Geothermie
Generell werden im Bereich der tiefen Geothermie drei Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund unterschieden:
1. Hydrothermale Systeme - im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter
2. Petrothermale Systeme, oft auch HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) genannt: mit hydraulischen Stimulations-massnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser oder superkritisches CO2 zwischen zwei tiefen Brunnen zirkuliert
3. Tiefe Erdwärmesonden: das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde

Oberflächennahe Geothermie
Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark.
In 5 bis 10 m Tiefe entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch der Jahresmitteltemperatur des Standortes (ca. 8 bis 10 °C)
Mittels Erdwärmesonden oder über erdgebundenen Beton-Bauteilen wird die Wärme an die Oberfläche gefördert.
Im Sommer kann die Erdwärme zur Kühlung gebraucht werden.
Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Anlagen, wie z. B. Solarthermie, kombiniert wird.
Solarthermie stellt vorwiegend Wärme im Sommer zur Verfügung, wobei sie weniger gebraucht wird. Durch Kombination mit Geothermie lässt sich diese Energie im Sommer in den unterirdischen Wärmespeicher einspeisen und im Winter wieder abrufen.

Die geothermische Stromerzeugung
Das Potenzial zur geothermischen Stromerzeugung ist in der Schweiz sehr gross. Allerdings bestehen noch grosse Unsicherheiten in Bezug auf die Kosten und die Machbarkeit der Stromerzeugung. Dennoch besteht Aussicht auf einen häufigeren Einsatz dieser unerschöpflichen, sauberen und kontinuierlichen Energiequelle. Sie ist CO2-frei, liefert Bandenergie und braucht wenig Platz.
Experten rechnen bis 2030 mit rund einem Dutzend Anlagen, welche insgesamt 800 GWh Strom produzieren werden.
Langfristig ist es denkbar, dass ein bedeutender Anteil des schweizerischen Stromkonsums durch geothermische Kraftwerke gedeckt werden kann.
Ein Beispiel ist das Projekt - Deep Heat Mining Basel. Es handelt sich um die Errichtung einer Anlage mit 3 MW elektrischer und 20 MW thermischer Leistung, welche dereinst rund 10'000 Haushalte mit Strom und 2'700 Haushalte mit Wärme versorgen soll.

Nutzung von Erdwärme
Geothermische Energie wird seit über 10.000 Jahren genutzt. Unsere Vorfahren haben vermutlich geothermisch erwärmtes Wasser zum Kochen, Baden und Heizen verwendet. Die Geothermie ist eine langfristig nutzbare Energiequelle.
Mit den Vorräten, die in den oberen drei Kilometern der Erdkruste gespeichert sind, könnte rechnerisch und theoretisch der derzeitige weltweite Energiebedarf für über 100.000 Jahre gedeckt werden.

Geothermie weltweit
Weltweit steigt die Erdwärmenutzung bei der Wärmeerzeugung und der Stromproduktion kontinuierlich an.
Dabei ist die Art der Produktion von der geologischen Situation abhängig.Total sind in 24 Ländern 9'000 MWe elektrische Leistung für die Stromproduktion und in 71 Ländern 28'000 MWth thermische Leistung für Wärmeproduktion installiert.

Geothermie in der Schweiz
Die Schweiz ist Weltmeister in der Nutzung der Erdwärme mit Hilfe von Erdwärmesonden. Nirgendwo auf der Welt sind mehr Erdwärmesonden-Anlagen pro Landesfläche installiert.
Im Jahr 2004 wurden in der Schweiz rund 4.000 neue Anlagen mit Erdwärmenutzung installiert. Am häufigsten sind die Erdwärmesonden, also vertikal verlegte Wärmetauscher, eingesetzt worden, um Wärmepumpen mit der nötigen Erdwärme zu versorgen. Für kombiniertes Heizen und Kühlen werden maximal 150 Meter tiefe Sonden verwendet, für ausschliesslich Heizzwecke bis zu 400 Meter.
Im Jahr 2005 wurden in der Schweiz über 1100 GWh geothermische Energie genutzt. Rund 60 % davon stammen aus der Erdwärmesonden-Anlagen.
Im Jahr 2006 kamen beispielsweise knapp 1'000'000 Laufmeter an Erdwärmesonden- Bohrungen hinzu.

Die Tendenz der Nutzung der geothermischen Energie ist steigend.

Ökologische Aspekte
Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit. Sie gehört somit zu den regenerativen Energiequellen, da ihr Potenzial sehr gross und nach menschlichem Ermessen unerschöpflich ist. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energien steht die Erdwärme unabhängig von Tages- und Jahreszeit, Klimabedingungen zur Verfügung und ist immer an jedem Ort erreichbar. Sie erzeugt weder Luftschadstoffe noch CO2.
Nach den Vorstellungen der Branche spart die Geothermie bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen Kohlendioxid ein.
Sie ist ein idealer Ersatz für fossile Energieträger.

Die Förderung der Geothermie kann aber auch mit gewissen standortbedingten Risiken verbunden sein.
Bei der verschiedenen Projekten der Tiefen Geothermie im Erdbebengebiet, können die vorhandene Spannungen im Untergrund stärkere Erdstösse auslösen.
Dies war zum Beispiel beim Geothermieprojekt Deep Heat Mining Basel in Kleinhüningen im Grossraum Basel/Schweiz der Fall.
Seit dem 8. Dezember 2006 hat es im Zeitraum von einigen Wochen bis zu fünf leichte Erschütterungen von der Stärke 2.9 bis 3.4 auf der Richterskala gegeben.
Die Erde beruhigt sich in solchen Fällen meist nur langsam und es kommt vielfach zu einer ganzen Serie kleinerer Erdstösse.

Forschung und Entwicklung
Das Forschungsprogramm Geothermie des BFE setzt zwei Schwerpunkte:
· Erstens die kombinierte Strom- und Wärmeproduktion mit dem so genannten "Enhanced Geothermal Systems"
· zweitens das Heizen und Kühlen von Grossanlagen mit geothermischer Energie

Das BFE unterstützt die Entwicklung von Werkzeugen für den Einbau dieser komplexen Anlagen und deren Erfolgskontrolle und Optimierung.

Geothermie als Faktor der Raumentwicklung
Die Zusammenhänge von Raumentwicklung und Geothermie-Forschung spielen zunehmend im Bereich der Stadtentwicklung eine Rolle. Das urbane Wachstum stösst weltweit an Grenzen, die negativen Folgen durch Umweltverschmutzungen, Mobilitätsbelastungen usw. sind offensichtlich. Eine nachhaltige Stadtentwicklung muss die Potenziale des Untergrunds berücksichtigen und gezielt nutzen, so wie die am Ort zur Verfügung stehende alternative Energie. Interdisziplinäre Forschungsarbeiten, die sowohl natur- als auch sozialwissenschaftliche Ansätze berücksichtigen, sind im Gange und setzen die Faktoren Raum, Wasser, Energie und Geomaterial bei der Stadtentwicklung sinnvoll ein.

Ein kombiniertes System zum Heizen und Kühlen mit Erdwärme
Die Technologien zur Nutzung der Erdwärme wurden bisher vorwiegend zur Entwicklung und Einsatz der Heizenergie generiert: Wärme für Wohn- und Bürogebäude, Treibhäuser, Fahrbahntemperierung und für diverse Produktions-prozesse.
Inzwischen hat man jedoch erkannt, dass der Untergrund auch als sommerlicher Kältespeicher dienen kann und somit für die optimale Raumkühlung ideal genutzt werden kann. Mit Erdwärmesonden, Geostrukturen sowie mit Luft-Erdregistern können Gebäude gekühlt werden, ohne energieintensive Kältemaschinen einsetzen zu müssen.

Erdwärmesonden-Anlagen (EWS)
Die in der Schweiz sehr zahlreich installierten Erdwärmesonden (EWS)-Anlagen basieren mehrheitlich auf folgendem Typ: eine 150 m tiefe Bohrung mit einer Wärmepumpe versorgt ein Einfamilienhaus mit der benötigten Wärmeenergie.
Wird nun eine Serie von Erdwärmesonden zusammengeschlossen oder tiefer gebohrt, so kann der Wärmetauscher auf ein wesentlich grösseres Potenzial zugreifen, was die Wärmeversorgung von ganzen Häusergruppen oder von grossen Gebäuden wie z.B. Mehrfamilienhäuser, Industrie- und Verwaltungsgebäude, Hotels, Mehrzweckgebäude, usw. ermöglicht.
Seit einigen Jahren werden Erdwärmesondenfelder bei Heiz- oder Kühlsystemen in Industrie- und Verwaltungsgebäuden eingesetzt.Eine Serie von 4 bis 80 Erdwärmesonden unterschiedlicher Tiefe (30 bis 350 m) werden unter dem zu versorgenden Gebäude oder unmittelbar daneben eingebaut. Dabei werden die Leitungen der einzelnen Sonden mit einer oder mehreren Wärmepumpen zusammengeführt.
Wird die Anlage im Sommer zur Kühlung verwendet, so dürfen die Bohrungen höchstens 250 m tief sein, um eine zu hohe Untergrundtemperatur zu vermeiden.
Die Wirkungsweise der Anlage basiert auf einem Jahreszyklus, bei dem während der Heizperiode dem Untergrund Wärme (Kälteeintrag in den Untergrund) und während der Kühlperiode Kälte (Wärmeeintrag) entzogen wird.
Ein zusätzlich installierter Heizkessel wird dabei nur während der Zwischenperioden und bei Reparaturarbeiten gebraucht.
Grosse Gewerbe- und Dienstleistungsbauten benötigen oft ebenso viel Energie zum Kühlen wie zum Heizen. Die Geothermie kann beides liefern: Über Erdwärmesonden oder Geostrukturen wird im Winter Erdwärme mittels Wärmepumpen in das Gebäude gebracht. Im Sommer wird im "free cooling" Betrieb die überschüssige Wärme aus dem Gebäude in den Untergrund geleitet, wo sie für den Heizbetrieb gespeichert bleibt.

Bei einigen Anlagen wurden zusätzliche Sonnenkollektoren installiert, mit denen während des Sommers Warmwasser produziert und sich der Erdspeicher durch die Sonnenenergie wieder aufladen kann.

Erdwärmesondenfelder
Seit etwa einem Jahrzehnt werden Erdwärmesondenfelder für die Wärmeversorgung eingesetzt, die teilweise für die Kühlung während des Sommers genutzt werden. Diese Erdwärmesondenfelder bestehen aus einer Serie von Bohrungen, die im Allgemeinen mit zwei U-Rohren aus Polyethylen für den Wärmeaustausch mit dem Boden ausgerüstet sind. Die Bohrungen sind mit einem Gemisch aus Zement und Bentonit gefüllt, um einen guten thermischen Kontakt zwischen den U-Rohren und der Bohrlochwand aufzubauen. Die benötigte Anzahl an Bohrungen (4 bis 80) sowie deren Tiefe (60 bis 300 m) hängt vom Wärmebedarf und den lokalen geologischen Verhältnissen ab.
Die EWS werden in der Nähe der beheizenden Gebäude installiert. Die Leitungen der einzelnen EWS werden zusammengeschlossen und versorgen so eine oder mehrere Wärmepumpen. Beim Heizen mit niedriger Temperatur sowie beim Kühlen zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit in den Böden oder Decken eines Gebäudes.
Die Arbeitsweise beruht auf einem Jahrezyklus: während des Winters wird dem Boden die Wärme entzogen (Abkühlung des Bodens). Im Sommer, falls gekühlt wird, wird dem Boden die gespeicherte Kälte wieder entzogen (Erwärmung des Bodens). Die Gebäudekühlung mit "free-cooling" ist energetisch gesehen besonders vorteilhaft, da diese ausschliesslich über die EWS und ohne Kältemaschine läuft.

Ein Pilotprojekt: Erdwärmesondenfeld beim Hotel The Dolder Grand in Zürich

Das Grand Hotel Dolder setzt bezüglich Umweltverträglichkeit Zeichen.
Mit der extrem gut isolierten Gebäudehülle und der innovativen Energieerzeugung ist ihm ein Spitzenplatz in der effizienten Energienutzung im Hotelbereich sicher.
Das Hotel bietet seinen Gästen bezüglich technischer Ausrüstung und Raumklima den höchstmöglichen Komfort. Das Hotel setzt ein innovatives Energiekonzept um, in dessen Mittelpunkt 70 Erdwärmesonden von je über 150 m Länge stehen, mit denen Wärme und Kälte aus dem Untergrund gewonnen wird.
Damit werden trotz der intensiven Nutzung dieses Hotels spezifische Energiebedarfswerte möglich, welche mit klassischen Energiekonzepten nie erreicht werden könnten.

Schon bei der Planung war das Energieziel klar: halber Verbrauch bei doppelter Grösse des Hotels.
Tatsächlich wird mit dem Neubau die Energiebezugsfläche von rund 20 000 m2 auf 47 000 m2 erweitert.
Gegenüber dem bisherigen Energieverbrauch will man den Heizbedarf um 75 % und den Stromverbrauch um 25 % verringern.
Dies entspricht Einsparungen von rund 100‘000 Litern Heizöl und 250‘000 Kilowattstunden Strom jährlich.
Mit dem Realisieren dieses Konzeptes leistet die Hotel Dolder AG einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der im Kanton Zürich vereinbarten Zielsetzung im Energieverbrauch.
Spätestens in zehn Jahren wird die Anlage voraussichtlich amortisiert.

Mit einem Erdwärmesonden-Feld mit insgesamt ca. 10,6 km Sondenlänge wird im Winter Wärme entnommen, die man mittels Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung nutzt. Zusätzlich unterstützt man mit den Wärmepumpen die Warmwasserbereitung.
Im Sommer dient das Sondenfeld als Kältespeicher für die Kühlung der 178 Zimmer.
Bereits 2003 wurde eine Versuchsbohrung durchgeführt, damit die Eignung des Untergrunds, der vorwiegend aus typischen Molassemergeln besteht, geprüft wird.
Im März 2005 musste der Verteiler mit den Anschlüssen für die 70 Sonden positioniert und angeschlossen werden, da anschliessend darüber eine 70 cm dicke Bodenplatte des Neubaus vergossen wurde.

Nach dem Bauabschluss im 2007 wurde der Heiz- bzw. Kühlbetrieb mit geothermischer Energie aufgenommen. Entlang einer Reihe von 3 Erdwärmesonden, d.h. am Rand des EWS-Feldes und den dazugehörigen Anschluss-leitungen, wurde ein Glasfaserkabel installiert, welches den zukünftigen Messungen der Betriebssoletemperatur dienen wird. Zusätzlich wurden 2 EWS in der Mitte des EWS-Feldes mit Temperaturfühler ausgerüstet.

In der Sommerperiode wird zusätzlich auch die Sonnenenergie effizient eingesetzt. Die Wärme, die in der doppelten Glassfassade entsteht, wird für Warmwasseraufbereitung und für das Aufladen der Erdspeicher genutzt.

Umbau des Grand Hotels Dolder (ZH): Vor-und Rücklauf des Erdwärmesondenfeldes

Quellen:

http://www.energie-schweiz.ch
http://www.energieforschung.ch
http://www.geothermie.ch
http://www.geothermal.ch
http://www.bfe.admin.ch
http://www.empa.ch
http//www.wikipedia.ch

Eva Fuchs