Unter Geothermie versteht man die technische Nutzung von als Wärme gespeicherter Energie (Erdwärme) unterhalb der Oberfläche der festen Erde zur Energiegewinnung.
Durch das Temperaturgefälle zwischen Erdoberfläche (durchschnittlich 10 °C) und dem Erdinneren (5000 °C) wird Wärme konstant aus der Tiefe nach Oben transportiert (geothermischer Wärmefluss). Dies macht die Erdwärme bei verantwortungsvollem Umgang zu einer erneuerbaren Energiequelle die im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energien (z.B. Sonne, Windkraft) ganzjährig und ohne Unterbrechung zu Verfügung steht. Voraussetzung dafür ist, die Wärme aus der von äußeren Einflüssen (Sonne, Wind) unbeeinflussten Zone zu gewinnen. In der Regel spricht man hier von einer Tiefe ab 15 Metern in der der Einfluss der jahreszeitlichen Temperaturschwankungen im Erdreich nicht mehr nachvollziehbar ist. Danach spricht man von einem konstanten Temperaturverlauf der durch den geothermischen Wärmefluss beeinflusst ist (geothermische Gradient). In Österreich wird dieser durchschnittlich mit einer Temperaturerhöhung von 30 °C pro km Tiefe angenommen, kann regional jedoch stark variieren.
Bei hohen Temperaturen ab 80 °C (Hochtemperaturanwendungen) kann die Erdwärme direkt zum Heizen genutzt werden oder auch zur Erzeugung von Strom. Niedrigere Temperaturen ab etwa 8 °C können für Niedertemperaturanwendungen, je nach benötigtem Temperaturniveau, entweder direkt genutzt werden oder müssen mithilfe von Wärmepumpen auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Die Nutzung der Erdwärme kann auch nach der Tiefe der Gewinnung in der Erdkruste in Oberflächennahe und Tiefe Geothermie eingeteilt werden. Die Oberflächennahe Geothermie ist dabei in der Regel im unteren Niedertemperaturbereich anzusiedeln, die Tiefe Geothermie startet dagegen im mittleren Niedertemperaturbereich.
Generell gilt, um die Energie im Untergrund gewinnen zu können benötigt man ein Trägermittel. Im Fall von offenen Systemen ist dies das vorhandene (Tiefen-)Grundwasser (oder Dampf bei T > 100 °C) oder ein in den Nutzungskreislauf im Untergrund künstlich eingebrachtes Wasser (Petrothermie). Bei geschlossenen Systemen werden Wärmeträgerflüssigkeiten (meist Wasser mit Frostschutzmittel) eingesetzt, die ohne direkten Kontakt zum Untergrund in Leitungen zirkulieren und so die Wärme transportieren.
Oberflächennahe Geothermie
In der Oberflächennahen Geothermie wird thermische Energie durch Erdwärmesonden, (Flach-)Kollektoren oder direkt durch die Nutzung von Grundwasser gewonnen. Gemein ist allen Systemen die Nutzung von Wärmepumpen, dies kann auch als Hauptmerkmal der Oberflächennahen Geothermie betrachtet werden.
Im Normalfall werden dem Erdreich bzw. dem Grundwasser in der Oberflächennahen Geothermie im Durchschnitt 3 °C an Energie entzogen und für moderne Niedertemperaturheizungen auf rund 35 °C erwärmt.
Der nutzbare Temperaturbereich in der Oberflächennahen Geothermie (≤ 25 °C) bietet dabei nicht nur die Möglichkeit die thermische Energie zur Wärmebereitstellung zu nutzen, sondern auch den Einsatz zur Raumkühlung. Dabei wird die Kälte mit demselben installierten System durch Umkehr des Wärme- und Kältekreislaufs bereitgestellt und benötigt keine zusätzlichen Installationen. Zudem wird durch den Eintrag von Wärme bei der Kältenutzung das Erdreich wieder regeneriert und somit eine Effizienzsteigerung für die kommende Heizperiode erzielt. Des Weiteren können so auch bisher ungenutzte Wärmekontingente, z.B. überschüssige Wärme von Solarkollektoren im Sommer oder industrielle Abwärme, im Sommer gespeichert und im Winter genutzt werden (saisonale Wärmespeicherung). Bei hohem Wärmebedarf oder bei der Einbindung von Oberflächennahen Geothermie in „kalte“ Nahwärmenetze, sollte die Wärmespeicherung ein fixer Bestandteil der Anlage sein.
Eine Wärmepumpe ermöglicht die Nutzung der im Untergrund gewonnenen Energie für Heizzwecke durch Erhöhung der Temperatur auf ein nutzbares Niveau. Dabei wird die Erdwärme mit Hilfe von elektrischer Energie durch eine Flüssigkeit (häufig eine Sole oder das genutzte Grundwasser selbst) aus dem Untergrund aufgenommen und mit einem Kältemittel in der Wärmepumpe in Kontakt gebracht. Durch den Temperaturunterschied erwärmt sich das Kältemittel und wird dampfförmig (Gas). Durch einen Verdichter komprimiert dieser Dampf und erwärmt sich noch stärker. Im nächsten Schritt wird dem Dampf über einen Wärmetauscher die Wärme entzogen. Die gewonnene Wärme wird an den Heizkreislauf abgegeben. Das Kältemittel verflüssigt sich wieder und der Kreislauf kann von vorne beginnen. Generell gilt, je höher die Temperatur der Wärmequelle und je niedriger die benötigte Temperatur im Heizkreislauf desto weniger elektrische Energie wird benötigt.
Erdwärmesonde
Erdwärmesonden können in fast jedem Untergrund an nahezu allen Standorten errichtet werden. Die Wärmegewinnung aus dem Untergrund erfolgt in einem geschlossenen System mit Hilfe von Wärmeträgerflüssigkeiten (Sole). Diese Flüssigkeit zirkuliert in Rohren, die über Bohrungen in den Untergrund eingebracht werden. Durch den konstanten Wärmeentzug wird die Temperatur des umgebenden Erdreichs während des langlebigen Betriebs geringfügig herabgesetzt. Ein Ausgleich erfolgt durch den Wärmefluss im Untergrund, die Effizienz kann aber durch eine ausgleichende Nutzung, das heißt durch einen Wärmeeintrag von Überschusswärme im Sommer, erhöht werden. Der Einflussradius durch den Wärmeentzug kann mit etwa 5 Meter um die Erdwärmesonde angegeben werden und stellt einen Richtwert für Abstände zu umgebenden Erdwärmesonden oder anderen temperatursensiblen Nutzungen im Untergrund in der Planung dar. Die Entzugsleistung, das heißt die gewinnbare Wärme pro Meter Erdwärmesonde, hängt von der Beschaffenheit des Untergrundes ab und muss für jeden Standort ermittelt werden. Vorteil dieser Technologie besteht in der hohen Effizienz der Anlagen und dem geringen Platzbedarf am Grundstück.
Erdwärmesonden zählen zur Oberflächennahen Geothermie. Die Technologie kann aber genauso gut in größeren Tiefen genutzt werden. Die tiefe Erdwärmesonde kann bis zu 2000 m tief installiert werden und wird oft zur Nachnutzung von bereits bestehenden Bohrlöchern (z.B. aus der Erdöl- und Erdgasindustrie) genutzt.
Thermische Nutzung von Grundwasser – Grundwasserwärmepumpe
Für diese Art der Nutzung muss Grundwasser in ausreichender Menge vorhanden sein. Dies ist in Talregionen mit Lockersedimenten im Untergrund häufiger der Fall als in steilem, felsigen Gelände.
Ist ausreichend Grundwasser vorhanden, kann generell eine thermische Nutzung installiert werden. Dazu werden im Regelfall zwei Brunnen errichtet. Über einen Entnahmebrunnen wird das Grundwasser zur Wärmepumpe gefördert. Dort wird es um wenige Grad (im Regelfall 3 °C) abgekühlt und anschließend über einen Versickerungsschacht oder Schluckbrunnen wieder in den Untergrund eingebracht. Das genutzte Grundwasser fließt dabei in einem geschlossenen Kreislauf um Kontakt zu anderen Anlagenteilen, und somit Verunreinigungen, zu vermeiden.
Bedingt durch die Rückgabe von abgekühltem Wasser kommt es im Nahbereich der Rückgabestelle zur Ausbildung einer Kältefahne im Grundwasser (bei Nutzung des Grundwassers für Kühlzwecke wir umgekehrt erwärmtes Grundwasser zurückgegeben). Je nach Leistung der Anlage hat die Kältefahne (oder Wärmefahne) eine unterschiedliche räumliche Ausbreitung und somit einen für jede Anlage individuellen Einflussbereich. Dies kann den Abstand zwischen unterschiedlichen Nutzungen in einem Grundwasserkörper und somit auch deren Anzahl limitieren. Für Grundwassernutzungen empfiehlt sich daher in dicht besiedelten Gebieten ein vorausschauendes Grundwassermanagement.
Flache Geothermiesysteme
Das Prinzip von flachen Geothermiesystemen ist ähnlich wie jenes der Erdwärmesonden nur werden diese Systeme in geringeren Tiefen über größere Flächen verlegt. Streng genommen wird hier keine Erdwärmequelle genutzt da diese Systeme im jahreszeitlich beeinflussten Bereich des Erdreichs liegen und der Wärmeentzug durch solare Energie ausgeglichen wird. Dadurch ergeben sich auch andere Entzugsleistungen als bei Erdwärmesonden. In der Regel sind diese geringer als bei Erdwärmesonden und diese Systeme benötigen somit mehr Laufmeter an Rohren in denen die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Im Falle von klassischen Horizontalkollektoren die in Schleifen im Boden verlegt werden (Tiefe bis zu 2 Meter), erfordert dies eine beträchtliche Grundstücksgröße. Geringfügig platzsparender sind hier Grabenkollektoren oder Energiekörbe die bis zu 5 Meter tief im Erdreich eingebunden sind. Voraussetzung für alle Systeme ist das Vorhandensein von Lockersedimenten bis zur maximalen Einbautiefe.
Thermische Bauteilaktivierung
Bei der thermischen Nutzung von Bauteilen wird die Gebäudemasse zur Temperaturregulierung genutzt. Es gibt hier unterschiedliche Anwendungsformen die für Heiz- und Kühlzwecke genutzt werden können (Bsp. Thermoaktive Decke oder Kühldecke). Eine Sonderform der Geothermie stellt die thermische Bauteilaktivierung dar wenn es sich bei den genutzten Gebäudeteilen um in die Erde eingebaute Bauteile handelt. Energiepfähle stellen dabei die meist genutzte Form dar. Das Funktionsprinzip ist gleich mit jenem von Erdwärmesonden, nur werden Energiepfähle in geringeren Tiefen abgeteuft und sie dienen gleichzeitig auch als Gründung des Gebäudes.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten
Ähnlich wie das Grundwasser können auch Oberflächengewässer für eine thermische Nutzung herangezogen werden. Beispiele sind hier die thermische Nutzung von Seewasser, Tunnelabwasser oder Quellwasser. Die Erschließung dieser Wässer ist eine sehr kostengünstige Variante der Nutzung von Umgebungswärme, da es keine speziellen Bauten wie Brunnen oder Bohrungen für die Gewinnung braucht. Die Voraussetzungen für eine Nutzung sind sehr standortspezifisch und demnach noch nicht sehr etabliert.
Tiefe Geothermie
Nutzung von tiefen Grundwasservorkommen (Hydrothermale Geothermie)
Die Hydrothermale Geothermie ist die Nutzung von im Untergrund vorkommenden Thermalwässern zur Energiegewinnung. Dabei stellen die Thermalwässer in den angestrebten Tiefen bereits direkt nutzbare Energie zur Verfügung. Je nach Temperaturbereich können verschiedenen Nutzungen (Fernwärmenutzung, Verstromung uvm.) mit der gewonnenen Energie umgesetzt werden. Bei Niederenthalpie-Systemen (bis 120 °C) wird das vorhandene heiße Wasser vorwiegend zur Speisung von Wärmenetzen oder bei Eignung der Wässer auch für Heil- und Badezwecke genutzt. Eine Verstromung kann mittels zusätzlicher Technologien zur Anhebung des Temperaturniveaus erfolgen. Eine Stromerzeugung aus hydrothermalen Quellen ist so bereits ab einer Wassertemperatur von 80 °C möglich. Dazu wird die Wärme in einem Sekundärkreislauf über ein Arbeitsmittel in Strom umgewandelt. Im Gegensatz dazu liegen bei Hochenthalpie-Systemen (ab 120 °C) die Wässer als Dampf- oder Zweiphasensysteme vor. Hier kann die Erzeugung von Strom ohne zusätzliche Technologien erfolgen. Die Gewinnung der Thermalwässer erfolgt in allen Fällen über eine Förderbohrung wo das Wasser entweder mithilfe von Pumpen an die Oberfläche gebracht wird oder es von selbst zutage steigt. Die Wärmeenergie wird über einen Wärmetauscher direkt in den Heizkreislauf übertragen, in seltenen Fällen werden zusätzlich Wärmepumpen zur Erhöhung der Betriebstemperatur eingesetzt. Im Falle von Stromerzeugung wird das Wasser zuerst in eine Verstromungsanlage geleitet. Durch jeden Prozess kommt es zur Abkühlung des Wassers. Dieses wird am Ende der Nutzung über eine Injektionsbohrung wieder in den Thermalwasserkörper eingeleitet, um den Mengenhaushalt und die Druckverhältnisse im Untergrund zu erhalten. Dieses Kreislaufsystem aus Förder- und Injektionsbohrung wird als „Hydrothermale“ oder „Geothermische“ Dublette bezeichnet. Die Rücklauftemperatur des genutzten Wassers hängt vom Wärmebedarf ab. Es gilt, je höher die Spreizung zwischen der geförderten und der rückgeleiteten Temperatur, desto mehr Wärmeenergie kann gewonnen werden.
Voraussetzungen für eine hydrothermale Energiegewinnung sind (Bayerischer Geothermieatlas, 2018):
- das Thermalwasser muss eine für die geplante Nutzung ausreichend hohe Temperatur besitzen – Allgemein formulierte Temperaturbereiche liegen dabei bei ≥ 40 °C für Nahwärme, über 80 °C für Fernwärme und Temperaturen ab 120 °C für Stromerzeugung
- die chemische Zusammensetzung, der Gasgehalt und die Mikrobiologie des Wassers müssen für die geplante Nutzung geeignet sein bzw. technisch kontrollierbar sein
- der Aquifer muss ein ausreichend großes Reservoir darstellen (ausreichende vertikale und horizontale Ausbreitung)
- der Aquifer muss eine ausreichende Ergiebigkeit besitzen (ausreichend hohe hydraulische Leitfähigkeit – Permeabilität)
Petrogeothermie
Unter Petrothermaler Geothermie versteht man die Gewinnung der geothermischen Energie aus dem tieferen Untergrund unabhängig von Wasser führenden Horizonten durch die Nutzung der im heißen, gering durchlässigen Gestein gespeicherte Energie. Zielhorizont ist dabei meist das kristalline Grundgebirge in Tiefen von mehr als 3.000 m mit Zieltemperaturen von über 150 °C. Kristalline Gesteine besitzen in der oberen Erdkruste häufig ein gewisses Ausmaß an natürlichen Klüften, die als Basis für eine Wasserzirkulation dienen können. Je nach bestehender Durchlässigkeit wird dieses vorhandene Kluftsystem noch durch hydraulische Stimulation geweitet. In dem so entstandenen Wärmetauscher wird anschließend künstlich eingebrachtes Wasser über Injektions- und Förderbohrungen, ähnlich wie bei der Hydrothermalen Geothermie, für die Energiegewinnung zirkuliert. Die Begriffe Hot Dry Rock, Deep Heat Mining, Hot Wet Rock, Hot Fractured Rock, Enhanced Geothermal System oder Stimulated Geothermal System werden synonym für die Petrothermale Geothermie verwendet. Im Gegensatz dazu sind gerade auch Systeme in Entwicklung (Eavor Loop Technologie) die ohne das Einbringen von Wasser in die Tiefe funktionieren. Ähnlich wie Erdwärmesonden arbeiten diese als ein geschlossenes Rohrsystem, aus der Verbindung zweier mehrere Kilometer tiefer vertikaler Bohrlöcher mit vielen mehrere Kilometer langen horizontalen multilateralen Bohrlöchern. Das Gestein fungiert als Heizkörper oder Wärmetauscher. Die Bohrlöcher werden abgedichtet und mit einem umweltfreundlichen Arbeitsfluid gefüllt. Dieses Arbeitsfluid zirkuliert auf natürliche Weise, ohne dass eine externe Pumpe erforderlich ist (Thermosiphoneffekt).