1. Das Grundprinzip
Geothermische Systeme nutzen die im Untergrund oder der Umgebung (Wasser, Luft) enthaltene Energie zur Bereitstellung von Wärme bzw. zur Stromerzeugung. Zur Nutzung der im Untergrund gespeicherten Wärmeenergie werden verschiedene Systeme eingesetzt bzw. erforscht und entwickelt. Die weiteste Verbreitung haben erdgekoppelte Wärmepumpen zur Nutzung der oberflächennahen Erdwärme Systeme zur Nutzung der in tieferen Erdschichten gespeicherten Energie befinden sich noch in der Demonstrations- und Prototypenphase.

2. Oberflächennahe Systeme - Wärmepumpenheizungen
Bei der oberflächennahen Geothermie kommen i.d.R. erdgekoppelte Wärmepumpen zum Einsatz, bei denen über Erdreichkollektoren bzw. einzelne Erdwärmesonden die Wärmeenergie des Untergrundes genutzt und an einen Heizkreislauf und/oder Warmwasserkreislauf abgegeben wird. In einer Wärmepumpe wird die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau (z.B. Erdwärme mit 8 °C) unter Zufuhr von Energie (i.d.R. Strom) auf eine höhere, für Heizzwecke geeignete Temperaturstufe (z.B. Heizwasser mit 45°C) überführt. Wärmepumpen bestehen im Wesentlichen aus den vier Komponenten Verdampfer, Verdichter, Kondensator und dem Drosselventil. Die Wärme wird dabei über ein Arbeitsmittel mittels Wärmetauscher an den Heizkreislauf überführt. Beim Arbeitsmittel handelt es sich um eine schon bei niedrigeren Temperaturen siedende Flüssigkeit. Mehr als 75% der benötigten Wärme kann für ein Haus aus der Umwelt gewonnen werden. Das bedeutet, dass 1 kWh elektrischer Energie mittels Wärmepumpe unter Nutzung von Umweltenergie 4 bis 4,5 kWh Heizenergie ergibt.

a) Verdampfer
Im ersten Schritt der Energiegewinnung mittels Wärmepumpen wird Energie des Wärmeträgers (z.B. Erdreich) an das flüssige, in den Kollektoren zirkulierende Arbeitsmittel übertragen, das bei diesem Prozess verdampft.

b) Verdichter
Das Arbeitsmittel wird zur Wärmepumpe geführt und in einem Kompressor unter Zufuhr elektrischer Energie verdichtet, erhitzt und somit auf ein höheres Energieniveau gebracht.

c) Kondensator
Schließlich gelangt das heiße Arbeitsmittel in den Kondensator, der von einem Heizwasserstrom umspült wird. Dort wird die Wärme an das kältere Wasser über einen Wärmetauscher an den Heiz- und/oder Warmwasserkreislauf abgegeben. Das Arbeitsmittel wird dabei wieder verflüssigt.

d) Drosselventil
Das warme, flüssige Arbeitsmittel wird über ein Ventil zurück zum Verdampfer transportiert. Dabei wird der Druck abrupt gesenkt und die Temperatur nimmt ebenfalls schlagartig ab. Im Verdampfer beginnt der Kreislauf mit dem nun wieder abgekühlten Arbeitsmittel von vorne.



Quelle: Bremer Energie-Konsens

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3. Hydrothermale Geothermie Die hydrothermale Geothermie ist an das Vorkommen von warmen bzw. heißem Tiefenwasser gebunden. Entsprechende Voraussetzungen finden sich in Deutschland z.B. im norddeutschen Becken, im nordalpinen Molassebecken sowie im Oberrheingraben.

Schema der Erdwärmenutzung am Beispiel Neustadt-Gleve (Quelle: Erdwärme-Kraft GbR)

Zur Nutzung der Wärmeenergie werden i.d.R. zwei Bohrungen abgeteuft. Über eine Förderbohrung wird dem Aquifer das Thermalwasser entnommen und über eine Injektionsbohrung nach der Wärmeentnahme wieder in den Untergrund reinjeziert. Dadurch soll sichergestellt werden, dass der Druck im Aquifer erhalten bleibt und ein Leerpumpen des Speichers verhindert wird. Die Wärmeübertragung an das Heizsystem erfolgrt mittels Wärmetauscher, eine weitere Auskühlung des Thermalwassers ist über eine nachgeschaltete Wärmepumpe möglich. Die Weiterleitung der Wärme an den Endverbraucher erfolgt über ein Fern- bzw. Nahwärmenetz. Hydrothermale Heizzentralen sind aufgrund der hohen Investitionskosten an große Wärmeabnehmer / Wärmeverteilnetze gebunden, günstig ist darüber hinaus auch die gleichzeitige Nutzung des Thermalwassers für energetische und balneologische Zwecke (Badbetrieb).

4. Erdwärmenutzung mit tiefen Erdwärmesonden An Standorten von Tiefbohrungen ohne die Möglichkeit zum Aufschluss von Thermalwasser können tiefe Erdwärmesonden eingesetzt werden.

Dazu wird im Bohrloch eine doppelte Verrohrung installiert. In den Raum zwischen äußerem und inneren Ring wird ein flüsiges Wärmeträgermedium (z.B. Wasser) eingebracht. Auf seinem Weg in den Untergrund erwärmt sich die Flüssigkeit und gelangt in dem als Steigleitung konzipierten inneren Rohres wieder an die Oberfläche. Hier erfolgt über einen Wärmetauscher die Wärmeentnahme. Die Kopftermperatur von tiefen Erdwärmesonden liegt i.d.R. unter 40 °C, aus diesem Grund werden i.d.R. Wärmepumpen zur weiteren Abkühlung des Wärmeträgermediums nachgeschaltet.

Quelle: Rödl & Partner

5. Wärmenutzung / Stromerzeugung in HDR-Systemen
Im Mittelpunkt der Forschung steht bei der Hot-Dry-Rock-Technologie (HDR) die Erzeugung von Strom aus geothermischer Energie. Bei der HDR-Technologie erfolgt die Erschliessung der Wärme durch die Schaffung eines künstlichen Wärmetauschersystems in großer Tiefe. Die weltweit bislang durchgeführten Projekte weisen Tiefen zwischen 2.200 und 5.000 m auf. Durch Einpressen von Wasser mit hohem Druck werden die in der Tiefe bereits existierenden Gesteinsklüfte erweitert. Auf diese Weise entsteht im warmen Untergrund ein dreidimensionales, dauerhaftes Kluftsystem mit feinstern Gesteinsrissen In diesen Wärmetauscher wird über eine Verpressbohrung kaltes Wasser eingepresst. Während das Gemisch aus vorhandenem Tiefenwasser und Einpresswasser das Kluftsystem passiert, wird es vom warmen Gestein erwärmt und danach über eine Förderböhrung wieder an die Oberfläche gepumpt. In den bisherigen Pilotprojekten mit Tiefen von rd. 2.000 bis 5.000 m wurden Maximaltermperaturen des Wassers von 270 °C erzielt. Damit ist ein Temperaturniveau erreich, dass eine Stromproduktion mittels Turbinen ermöglicht.