TEIL C

GEOTHERMISCHE ENERGIE

Nach einer kurzen geschichtlichen Übersicht beschreibe ich das Potential dieser Energieform und präsentiere anschließend eine entsprechende Länderübersicht in mehreren Teilen. Am Ende werden die Grenzen der Nutzung dieser Energie aufgeführt.

Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde. Pro Liter Erdinnenraum sind im Mittel 2,6 kWh Energie gespeichert, wobei der Wärmeinhalt des Planeten auf etwa 3,9 x 10 hoch 23 W geschätzt wird. Anders ausgedrückt: 99 % der Planetenmasse sind wärmer als 1.000°C, wobei der Wärmeinhalt der Erde den heutigen Weltenergiebedarf für 30 Millionen Jahre decken würde. Einer anderen Rechnung zufolge enthalten alkleine nur die oberen 10 km der Erdkruste 50.000 mal so viel Energie, wie in allen weltweiten Öl- und Gasvorkommen.

An der Oberfläche bemerken tun wir dies allerdings nur selten - und besonders in Ausnahmefällen, wie bei Geysiren, Lavaströmen und Vulkanausbrüchen.

Wie durch mündliche Überlieferung und Geschichtsschreibung bekannt ist, wird diese Energie schon seit Jahrtausenden gezielt verwendet. Bereits die ‚frühen’ Menschen haben geothermisches Wasser, das in natürlichen Becken und heißen Quellen auftrat, vermutlich zum Kochen und Baden benutzt – und um sich warm zu halten. Es gibt archäologische Beweise dafür, daß amerikanische Indianer Orte mit geothermischen Quellen seit mehr als 10.000 Jahre benutzen. Und auch die geschriebene Geschichte belegt, daß geothermische Ressourcen von Römern, Japanern, Türken, Isländern, Zentraleuropäern und den Maoris in Neuseeland zum Baden, Kochen und als Heizung verwendet wurden.

Beispiele für solch frühe Nutzungen sind das geothermische Wasser der heißen Quellen von Huaquingchi in China, wo vor ca. 2.000 Jahren ein Bade- und Behandlungszentrum in der Qin-Dynastie gebaut wurde, ebenso wie die heißen Quellen von Ziaotangshan bei Peking, die etwa 800 Jahre lang von der kaiserlichen Familie und hohen Würdenträgern der Ming- und Qing-Dynastien zur Erholung benutzt wurden.

Erste industrielle Anwendungen gab es bei der Extraktion von Chemikalien aus den natürlichen geothermischen Manifestationen (Dampf, Quellen und Ablagerungen) in der Region Larderello in Italien. Ernsthaft betrieben wurde diese Gewinnung nach der Entdeckung von Borsäure in den heißen Wässern im Jahr 1777. In Chaudes-Aigues, im Zentrum von Frankreich, wurde der Bau des heute noch existierenden ersten geothermischen Fernwärmenetz der Welt bereits im 14. Jahrhundert begonnen!

Geothermie wurde in der Vergangenheit in vielen Ländern benutzt, doch die meisten Anwendungen wurden nicht dokumentiert oder überliefert. Eine kürzlich erschienene Veröffentlichung beschreibt viele der frühen Nutzungen vor der industriellen Revolution (Stories from a Heated Earth - Our Geothermal Heritage, edited by R. Cataldi, S. Hodgson and J. Lund, 1999). Diese Veröffentlichung umfaßt historische Informationen aus über 25 Ländern, geliefert von Archäologen, Historikern, Geographen, Anthropologen, Naturwissenschaftlern und Ingenieuren.

1913 veröffentlicht der amerikanische Reiseschriftsteller Colin Ross eine Erzählung mit dem Titel Als der Welt Kohle und Eisen ausging, in der sich die Großmächte um die letzten Kohlereserven streiten – bis ein deutscher Ingenieur ein tiefes Loch gräbt und die Menschheit lehrt, die Hitze des Erdinnern zu nutzen – die Geothermalenergie.

Über die überall vorhandene Erdwärme ist bekannt, daß sie zu 70 % durch den Zerfall radioaktiver Elemente wie Uran, Thorium und Kalium entsteht, durch den Druck sowie durch die Reibung in den tieferen Schichten der Erdkruste. Die überwiegenden Isotope, die für die radiogene Erwärmung verantwortlich sind, sind das Kalium-Isotop K 40, die Uran-Isotope U 235, U 238 und das Thorium-Isotop Th 232. Von den restlichen 30 % wird vermutet, daß sie die ‚Restwärme’ aus der Entstehungszeit des Planeten bilden. Bis zu einer Tiefe von 20 - 30 km steigt die Temperatur alle 1.000 m um etwa 30°C an. In 8.000 m Tiefe beträgt die Temperatur durchschnittlich 240°C. Noch viel tiefer liegt das Magma mit Temperaturen von rund 5.000°C.

Theoretisch ließe sich mittels des heißen Kerns des Erdinnern der gesamte Weltenergiebedarf leicht decken. Im krassen Widerspruch dazu steht, daß die Gesamtjahresleistung aller geothermischen Kraftwerke 1980 nur knapp 2.000 MW betragen haben soll – obwohl das zu jenem Zeitpunkt schon wirtschaftlich nutzbare Potential auf 60 GW geschätzt wurde.

Dieser Unterschied resultiert daraus, daß die wirtschaftliche Nutzung dieser Wärme, d.h. eine Stromproduktion mittels Wasserdampfdruck, bislang auf nur einige wenige Gebiete beschränkt ist. Besonders bevorzugt sind hierbei – neben den etwa 500 aktiven Vulkanen – jene Gegenden mit ehemals vulkanischer Tätigkeit, denn erloschene Vulkane können ihre Wärme über Millionen von Jahre halten. Hier besteht die Möglichkeit, in diese Gesteinsschichten Wasser hineinzupumpen, welches dann – als Dampf wieder austretend – Turbinen antreiben kann.

Für die Beheizung von Wohnflächen reichen dagegen schon Bohrungen in heißwasserführende Schichten relativ geringer Tiefe. Hierbei hat sich 100 – 200°C heißes Wasser gut bewährt, sogar über längere Zeiträume hinweg. Insbesondere dieser ‚nassen Geothermalenergie’ wird neuerdings mehr Beachtung gezollt, da die Heizkosten hierbei niedriger sind als bei Öl oder Kohle, zudem ist die Nutzung wesentlich krisenfester.

Zusätzlich läßt sich dem Erdreich aus Tiefen zwischen 15 m und 200 m mittels Erdwärmesonden, Grundwasser-Wärmepumpen und Erdwärmekollektoren nutzbare Wärme entziehen. Die Raumluftkonditionierung durch Erdwärmetauscher wird in Deutschland seit Ende der 1980er Jahre in mehreren Pilotprojekten untersucht.

Künstliche Hohlräume im Untergrund können ebenfalls als thermisch nutzbare Grundwassersammler oder -reservoirs dienen. Dabei handelt es sich vor allem um Bergwerke (stillgelegt oder noch in Betrieb) sowie um Tunnel, bei denen die Hohlräume nicht primär für eine thermische Nutzung geschaffen wurden. Bei tiefen Gruben und Tunneln wird der Bereich der oberflächennahen Geothermie teilweise bereits verlassen. Überlegungen existieren z.B. zur thermischen Nutzung eines Kohlebergwerks im östlichen Ruhrgebiet, das deutlich tiefer als 1 km ist.

Bereiche mit wesentlich höheren Temperaturen gibt es wiederum auf dem Meeresgrund – wo im Umkreis heißer vulkanischer Thermalquellen in 2.000 - 3.000 m Tiefe Oasen einer reichen Tierwelt gefunden wurden. Die dort stattfindende Chemosynthese – die Umwandlung von Schwefelwasserstoff – wurde bereits 1987 als mögliche zukünftige Energiequelle für die Herstellung biotechnischer Produkte ins Auge gefaßt.

Die Anwendung geothermischer Energie für die Stromerzeugung begann in Italien mit Versuchen des Fürsten Ginori Conti in den Jahren 1904 und 1905. Das erste Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 250 kW wurde in Larderello im Jahr 1913 in Betrieb genommen.

Der Entwicklung in Italien folgte 1958 eine Anlage in Wairakei, Neuseeland, ein Versuchsanlage in Pathe, Mexiko, im Jahr 1959, sowie 1960 das Projekt The Geysers in den USA. Nähere Details finden sich in den jeweiligen Länderübersichten. Ein erstes internationales Treffen, auf dem über geothermische Anwendungen berichtet wurde, war die UN Conference on New Sources of Energy in Rom 1961.

Die folgende Übersicht soll einen Eindruck davon geben, wie der aktuelle internationale Stand der Planungen, Versuche und Umsetzungen ist.

Im Jahr 1983 gibt es zwölf Länder mit geothermischen Kraftwerken – und 32 Länder, in denen Planungen zur Nutzung dieser Energiequelle im Gange sind. In den genannten Kraftwerken werden 1983 etwa 1.200 MW Strom erzeugt, dazu kommen 5.500 MW in Form von Heizwärme und Warmwasser – hauptsächlich in Island, Neuseeland und Ungarn. 1987 werden schon 2.000 MW Strom erzeugt.

Eine Statistik von 1986 nennt folgende Projekte:

Land	in Betrieb (MW)	im Bau / in Planung (MW)
USA	933	1.420
Philippinen	446	888
Italien	421	2.000
Neuseeland	302	100
Japan	156	50
Mexiko	150	495

1997 nennt der EU-Wissenschaftsrat eine weltweit installierte elektrische Leistung von 7.802 MW sowie eine thermische Leistung von 9.701 MW.

Im Jahre 2000 werden in bereits 21 Ländern insgesamt 8.000 MW elektrischer Strom aus geothermischer Energie produziert. Mehr als 25 % der Kraftwerksleistung befinden sich in den USA - die Philippinen liegen mit 1,9 GW installierter Leistung an zweiter Stelle. Es folgen mit Abstand Italien, Mexiko, Indonesien, Japan und Neuseeland. In Deutschland werden zu diesem Zeitpunkt rund 400 MW erzeugt, hauptsächlich in Form umweltfreundlicher Wärme.

Unter den verschiedenen Techniken gilt 2004 der sogenannte Kalina-Prozeß als der effizienteste. Hier wird im Wärmeaustauscher ein niedrig siedendes Gemisch aus Ammoniak und Wasser eingesetzt.

Ein vorerst noch ‚visionärer Ansatz’ ist der an jede Topologie anpaßbare Lineargenerator, bei dem sich der Wärmetauscher am unteren Ende der Bohrung befindet und einen Kolben innerhalb des Bohrloches bewegt.

Aber es geht auch anders herum: Die Geothermische Vereinigung e. V. weist im August 2003 darauf hin, daß durch direkte Kühlung mit Erdwärmesonden in den heißen Sommermonaten erhebliche Energie-Mengen und -Kosten eingespart werden können. Mit einer Bodentemperatur von 10 – 12°C stellt der Erdboden schon wenige Zentimeter unter der Oberfläche einen riesigen, kostenlosen Kühlschrank dar. Statt eigens niederzubringende Erdsonden lassen sich in vielen Fällen auch Beton-Einbauten im Erdreich – wie Gründungspfähle etc. – kostengünstig entsprechend ausrüsten. Ideal sind zudem Kombianlagen, die im Sommer Kühle, und im Winter Wärme erzeugen, denn hier lassen sich gegenüber konventionellen, strombetriebenen Heiz-/Kühl-Systemen meist mehr als 50 % der Betriebskosten einsparen.

Zum Vergleich mit der obigen Tabelle folgt hier eine weitere internationale Übersicht der Geothermie-Nutzung sowohl zur Stromproduktion (MWel) als auch zur Wärmeproduktion (MWth). Es handelt sich um die Zahlen von 2005:

Land	installierte Leistung (MWel)	Installierte Leistung (MWth)
USA	2 564	7 817
Schweden		3 840
China		3 687
Philippinen	1 930
Türkei		1 177
Mexiko	953
Dänemark		821
Indonesien	797
Unarn		694
Italien	791	607
Schweiz		582
Japan	535
Deutschland		505
Kanada		461
Norwegen		450
Neuseeland	435
Island	202	1 791
Costa Rica	163
El Salvador	151
Kenia	129
Weitere Länder	283	5 393
Gesamt:	8 933	27 825

Im Mai 2009 weist ein Bericht des Emerging Energy Research Institute Geothermieprojekte im Umfang von 9 GW aus – was etwa 80 % der im Laufe der vergangenen drei Dekaden installierten Leistung entspricht, die von aktuell 10,5 GW auf über 31 GW im Jahr 2020 steigen soll.

In 24 Ländern existieren zusammengerechnet bereits 215 kommerzielle Umsetzungen, wobei die USA mit 3 GW installierter Leistung (elektrisch) an der Spitze steht. Hier bestehen zudem bestätigte Planungen für weitere Anlagen im Umfang von mehr als 4,4 GW im Laufe der folgenden fünf Jahre.

Im Juli 2009 veröffentlicht Prof. Melissa Schilling von der NYU Stern University eine Studie, welche die Geothermie als effizienteste aller erneuerbaren Energien ausweist. Mit einer Investitionssumme von 3,3 Mrd. $ für weitere Forschungen solle es außerdem möglich sein, die Stromgestehungskosten unter die von fossilen Brennstoffen zu senken. Auch eine Studie von Deutsche Bank Research kommt Ende 2009 zu einem ähnlichen Ergebnis. Bis 2030 könnte ein neues Investitionsvolumen in Bauvorhaben und Technik von bis zu 75 Mrd. € anfallen.

Sehr interessant – und ausgesprochen synergetisch – ist eine Meldung, die im Dezember 2009 die Runde macht. Das kalifornisches Unternehmen Simbol Mining findet eine Methode, wie aus dem heißen Abwasser geothermischer Kraftwerke Lithium extrahiert werden kann. Dieses ist insbesondere bei der Batterieherstellung zunehmend gefragt, wo sich der weltweite Verbrauch bis 2020 mindestens verdreifachen wird. Die größten technisch relativ leicht ausbeutbaren Lithiumvorkommen befinden sich in den Salzseen in Bolivien und Chile sowie im Salton Sea in den USA, wo ein geothermisches Demonstrationswerk bald mit der Gewinnung von einer Tonne Lithium im Monat beginnen wird.

Vorhergehende Versuche Lithium aus Thermalwasser abzuscheiden, scheiterten an den hohen Silikatwerten. Die Technik von Simbol Mining, die am Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt wurde, erlaubt es nun die Silikate so abzuscheiden, daß sie relativ einfach aus dem Wasser gefiltert werden können. Dabei wird die Wärme des Wassers auch zur Beschleunigung des gesamten Verfahrens genutzt.

Im Zuge des aktuellen Updates Mitte 2017 sollen noch einige Einblicke in den gegenwärtigen Stand der Entwicklung gegeben werden.

Neben der installierten geothermischen Stromerzeugung von mehr als 10.000 MW, die weltweit über 52 Millionen Menschen versorgt, werden Mitte 2010 schätzungsweise 100.000 thermische MW Geothermie direkt – d.h. ohne Umwandlung in Strom – zur Beheizung von Häusern und Gewächshäusern sowie als Prozeßwärme in der Industrie eingesetzt. Dazu gehört die Energie, die in heißen Bädern in Japan verwendet wird, ebenso wie jene, die Häuser in Island und Gewächshäuser in Russland beheizt.

Als im Mai 2011 in Freiburg die dreitägige 7. Internationale Geothermie-Konferenz (IGC 2011) mit über 250 Teilnehmer aus 17 Nationen stattfindet, dokumentiert die Zunahme der Zahl internationaler Vertreter, daß die tiefe Geothermie von wachsendem Interesse ist.

Schwerpunktthema sind EGS-Projekte (Enhanced Geothermal Systems, früher auch als Hot Dry Rock bezeichnet), d.h. Projekte, in denen die Erde in ca. 3.000 – 5.000 m Tiefe als Wärmetauscher genutzt wird. Diese Technologie wurde bislang nur im Rahmen von Demonstrationsprojekten erprobt, hat aber große Potentiale für die zukünftige Energieerzeugung. Meldungen vom Juni 2011 zufolge investiert Google 11 Mio. $ in die EGS-Technologie, um bessere Bohrtechniken zu entwickeln und kosteneffizienter zu werden.

Tatsächlich ist die Geothermie eine Option erneuerbarer Energie mit enormem Potential: Der Report des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) - im Deutschen oft als Weltklimarat bezeichnet – des Jahres 2011 weist aus, daß allein die obersten 5 km von Europas Erdkruste genug Energie enthält, um Europa pro Jahr mit rund 4.000 TWh Strom und 2.000 TWh Wärme zu versorgen, was ungefähr dem Gesamtjahresverbrauch Europas entspricht.

Da die Geothermie grundlastfähig, also nicht von den Schwankungen des Wetters abhängig ist, würde die Nutzung von fünf Prozent dieses Potenzials genügen, die Stromnetze bei einer Einspeisung von Wind- und Sonnenenergie zu stabilisieren. In Europa sind bereits zahlreiche geothermische Kraftwerke installiert oder aktuell in Planung, die pro Jahr aus Geothermie 86,1 TWh an Wärme und 14 TWh an Strom liefern können.

In dem Bericht des US-Branchenverbands Geothermal Energy Association (GEA) 2013 Geothermal Power: International Market Overview werden fast 700 Projekte in 70 Ländern erwähnt. Demzufolge sind im August dieses Jahres 11.765 MW geothermische Kapazitäten online – und weitere 11.776 MW neue Kapazitäten in den frühen Stadien der Entwicklung oder im Bau. Viele dieser Projekte sind vor einem oder zwei Jahren lediglich Ideen auf Papier gewesen, was zeigt, wie schnell die Geothermiebranche international wächst.

Als im April 2014 Repräsentanten aus 34 Ländern bei einem GEA-Treffen in Washington DC zusammenkommen, vertreten diese mehr als die Hälfte aller Geothermie-Projekte weltweit. Gemeinsam könnten diese Projekte über 10.000 MW neue geothermische Energie bedeuten und würden rund 45 Mrd. $ an neuen Investitionen auslösen.

Im Vorfeld des World Geothermal Congress im April 2015 in Melbourne stellt die International Renewable Energy Agency (IRENA) zusammen mit der European Space Agency (ESA) ein neues Instrument vor, mit dem die weltweiten Potentiale der Geoenergie untersucht werden können. Die Technik des neuen, online verfügbaren und kostenfreien Atlas beruht auf Daten der sogenannten Gravitationsanomalie, die Aufschluß über Unregelmäßigkeiten der Massenverteilung im Untergrund geben können. Die Daten stammen aus dem im März 2009 gestarteten Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) Satelliten, der im November 2013 in der Erdatmosphäre verglüht ist.

Bereits im Juni 2015 ruft die IRENA dann rund 60 Akteure in Nairobi zusammen, um das Konzept einer Global Geothermal Alliance (GGA) weiter voranzubringen, deren Grundsatzerklärung und Aktionsplan auf dem Klimagipfel der Vereinten Nationen im September 2014 in New York vorgelegt worden waren. Gegründet wird die GGA dann während der UN-Klimakonferenz in Paris (COP 21) im Dezember 2015. Die Allianz strebt an, die weltweite installierte Kapazität der geothermischen Stromerzeugung bis 2030 um 500 %, und die der geothermischen Beheizung um 200 % zu erhöhen.

Im September 2016 verabschiedet der Ausschuß für nachhaltige Energie der United Nations Economic Commission for Europe (UNECE) einen globalen Standard für die Meldung geothermischer Ressourcen. Laut der schon 1988 in Auckland, Neuseeland, als gemeinnützige Organisation gegründeten International Geothermal Association (IGA) habe die UNECE damit die Spezifikationen für die Anwendung des United Nations Framework for Fossil Energy and Mineral Reserves and Resources (UNFC) von 2009 nun auch auf Geothermie-Ressourcen erweitert.

 

Betrachten wir nun die Situation in verschiedenen Ländern, die sich mit der Nutzung der Geothermie befassen.

Weiter mit der geothermischen Energie...