Erdwärme (Geothermie) ist die unterhalb der festen Oberfläche der Erde gespeicherte Wärmeenergie. Schon seit vielen 1000 Jahren ist Erdwärme als Energiequelle bekannt und natürliche Thermalwasservorkommen wurden zum Baden, Heizen und Kochen genutzt. Obwohl Erdwärme ein riesiges Potenzial zur Energiegewinnung bietet, macht sie bis jetzt bei den weltweit genutzten erneuerbaren Energien nur einen sehr geringen Anteil aus. In der EU wurden im Jahre 2016 gerade einmal 3,2% der gesamten Erneuerbaren Energieproduktion aus Erdwärme gewonnen, obwohl gerade in Europa, verglichen mit anderen Regionen, die Geothermie stärker genutzt wird.

Wie wird Geothermie genutzt?

Energie aus Geothermie kann durch direkte Nutzung für die Bereitstellung von Warmwasser, zum Heizen und Kühlen oder zur Stromerzeugung genutzt werden. Am einfachsten ist die Nutzung der Geothermie, wenn die Wärme im Untergrund bereits als Dampf oder heißes Wasser vorhanden ist, die dann über eine Bohrung an die Oberfläche befördert werden können. Diese Nutzung ist vor allem in vulkanisch aktiven Gebieten verbreitet, wo es Geysire und heiße Quellen gibt, wie in den USA, auf den Philippinen, in Mexiko, in Italien, Island, Japan, Neuseeland, der Türkei etc. Doch Erdwärme kann fast überall auf der Welt genutzt werden.

Es gibt eine Vielfalt direkter Einsatzmöglichkeiten von geothermischer Energie, wie erdgekoppelte Wärmepumpen, Fernwärme für Heizzwecke, Nutzung in der Landwirtschaft, etc.

Abhängig von der Tiefe der Erdschicht, aus der Wärme gewonnen wird, unterscheidet man zwischen oberflächennaher Geothermie und Tiefen-Geothermie.

Oberflächennahe  Geothermie

Unter oberflächennahe Geothermie versteht man die Nutzung der Erdwärme bis zu circa 400 m Tiefe und Temperaturen bis 25 °C. Sie wird normalerweise für die Versorgung kleinerer Einheiten genutzt (Einfamilienhäuser, aber auch in Gewerbeanlagen, Infrastruktureinrichtungen oder zur Bereitstellung der Fernwärme).

Sehr oft werden erdgekoppelte Wärmepumpen  zum Heizen und zur Bereitstellung von Warmwasser genutzt. Eine Wärmepumpe hebt Umweltwärme (Erdwärme) auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau (Heizwärme) an. Diese Umwandlung geschieht im Verdichter (Kompressor) der Wärmepumpe. Um ihn anzutreiben, braucht es elektrischen Strom. Besonders günstig lassen sich Wärmepumpen betreiben, wenn der Betriebsstrom nicht aus dem Netz, sondern von der eigenen Photovoltaikanlage geliefert wird.

Bei der Nutzung der oberflächennahen Geothermie kommen verschiedene Systeme zur Anwendung.

Die ersten erdgekoppelten Wärmepumpensysteme kamen um die Mitte des vorigen Jahrhunderts auf den Markt. In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Technologie ständig weiterentwickelt. Wärmepumpen lassen sich sehr gut mit anderen Heizanlagen kombinieren (Hybridsysteme), zum Beispiel mit Gasheizungen oder Solaranlagen.

Tiefengeothermie

Die Tiefengeothermie umfasst die thermische Nutzung der Erdwärme ab circa 400 m bis zu mehreren Kilometern Tiefe mithilfe von Tiefbohrungen.  Sie wird meist in größeren Anlagen zur Stromerzeugung, aber auch zur Wärmebereitstellung genutzt.

Ein Geothermiekraftwerk wandelt nach dem Prinzip der Dampfturbinentechnik Wärme in elektrischen Strom um. Wasser wird in ein Bohrloch gepumpt und durch ein unterirdisches Wärmereservoir geleitet, wo es durch die Wärme des Erdinneren verdampft. Der nun erzeugte Wasserdampf steigt durch ein Rohr nach oben und treibt eine Turbine an, welche mithilfe eines Generators den Strom erzeugt. Danach wird der Wasserdampf zurück in den Kühlturm geleitet und wird wieder zu Wasser und der Kreislauf beginnt von Neuem.  Abhängig von der Beschaffenheit des jeweiligen Standortes, wird in manchen Anlagen auch direkt heißes Tiefenwasser gefördert.

Die industrielle Nutzung der Geothermie hat ihre Anfänge in Italien und reicht in die Anfänge des 20. Jahrhunderts zurück. In der Toskana, wo einst Etrusker und Römer in heißen Quellen ihre Badekultur pflegten, wurde 1913 im Dorf Larderello das erste Geothermiekraftwerk der Welt gebaut. Larderello liegt circa 70 km südlich von Pisa im sogenannten Tal des Teufels (valle del diavolo), das wegen seiner borhaltigen heißen Quellen und Dampffontänen (soffioni) bekannt ist. Seit 1962 betreibt die Enel S.p.A., Italiens größter Stromversorger, das einstige Kraftwerk, das inzwischen auf dem neuesten Stand der Technik ist. Neben diesem Kraftwerk gibt es inzwischen über 30 Geothermie-Kraftwerke, mit deren Stromerzeugung knapp ein Drittel des Stromverbrauchs in der Toskana abgedeckt wird.

Wo wird Geothermie als Energiequelle genutzt?

Weltweit betrug die direkte Nutzung der Geothermie 163.907 GWh/Jahr (Stand 2015). Zwischen 2010 und 2015 hat die Kapazität der direkten geothermischen Wärme-Gewinnung um 39 % zugenommen. Derzeit gibt es weltweit in nahezu 80 Ländern Anlagen für direkte geothermische Wärmeerzeugung (Stand 2015).  China ist die Nummer eins, gefolgt von den USA, Schweden, der Türkei, Island, Japan, und Deutschland. Unter den 10 Top Ländern sind 7 Europäische Länder. Bei der pro Kopf Nutzung von Geothermischer Wärmeerzeugung liegt Island an der Weltspitze. Wegen seiner topographischen Lage kann Island seinen Energiebedarf an Wärme und Strom zum Großteil durch Geothermie decken.

Weltweit beträgt die installierte geothermische Stromleistung 12590 MW (Stand 2015) und ist auf lediglich 25 Länder aufgeteilt. Im Zeitraum 2010 bis 2015 ist die installierte Stromleistung um 16% gestiegen. Es gibt weltweit insgesamt 526 Geothermische Kraftwerke. Die Top 10 Länder produzieren 93.5% der weltweiten Elektrizität aus Geothermie.

Vor allem in Ländern mit aktiven Vulkansystemen (Geysire, heiße Dampffontänen, heiße Quellen etc.), wie Island, die USA, Neuseeland, Philippinen, Indonesien, Italien und Türkei wird die Geothermie zur Stromerzeugung in größerem Umfang genutzt. Die Nutzung der Geothermie im Asien-Pazifik-Raum findet vor allem im sogenannten „Ring of Fire“ (Feuerring) statt, welcher die Länder Neuseeland, die Philippinen, Japan und den östlichen Teil Russlands umfasst.

Geothermie in Italien

Innerhalb der EU ist Italien mit einem Anteil von über 20% geothermischer Energie an der gesamten erneuerbaren Primärenergie-Produktion an erster Stelle und europaweit ist es die Nummer drei nach Island und  der Türkei.  Italienische Technologien rund um die Geothermie sind weltweit gefragt. Der italienische Stromversorger Enel Green Energy will bis 2022 etwa 600 Millionen Euro in den Ausbau der Geothermie in der Toskana investieren. Erst Ende 2015 hat die Enel in der Toskana ein integriertes Bioenergie- und Geothermiekraftwerk in Betrieb genommen. Das erste Hybrid-Kraftwerk dieser Art nutzt Geothermie und frische Biomasse aus dem Umland.

Vorteile der Energiegewinnung aus Erdwärme

Energie aus Erdwärme ist eine klima-und umweltfreundlich Energiequelle, die unabhängig von der Wetterlage ständig verfügbar ist. Für die Stabilität der Stromnetze leistet sie daher einen ganz wichtigen Beitrag.

Geothermische Energie bietet weltweit ein enormes Potenzial und ist vielseitig einsetzbar. Sie kann zur direkten Wärmegewinnung und auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Energie aus Erdwärme ist eine planbare Energie für einen bedarfsgerechten Einsatz.

Abgesehen von den hohen Investitionskosten, vor allem beim Bau von industriellen Großanlagen, sind die Energiekosten (Strom- oder Wärmekosten) wesentlich geringer als bei fossilen Energiequellen und auch wettbewerbsfähig mit anderen erneuerbaren Energien.

Der Flächenbedarf eines geothermischen Kraftwerks bzw. einer Heizzentrale ist vergleichsweise gering durch kompakte, bedarfsgerechte Betriebsgrößen.

Nachteile der Energie aus Geothermie

Die Kosten kleinerer Anlagen, wie Wärmepumpen variieren je nach örtlichen und baulichen Gegebenheiten. Zudem braucht es für manche Systeme, abhängig von Art und Größe der Anlage, ein ausreichendes Platzangebot, aufwändige Genehmigungsverfahren und oft hohe Erschließungskosten.

Für den Betrieb von Wärmepumpen muss Strom zugeführt werden. Idealerweise sollte der Strom aus einer Photovoltaik- oder Windkraftanlage kommen, damit die Wärmepumpe auch wirklich umweltschonend ist. Auch wenn der Storm nicht aus erneuerbarer Energie gewonnen wird, weisen die meisten Wärmepumpen-Systeme eine gute CO2-Bilanz auf. Wärmepumpen lohnen sich meist nur in ziemlich gut gedämmten Häusern.

Ein großer Nachteil bei der Tiefengeothermie (Geothermiekraftwerke oder industrielle Heizanlagen) sind die hohen Investitionskosten, sowie das Risiko, dass die auffindbaren Mengen an Geothermie nicht immer eingeschätzt werden können (Fündigkeitsrisiko). Das ist vor allem bei großen Anlagen der Fall. Eine besonders sorgfältige Planung ist erforderlich, da bei tiefen Bohrungen seismische Risiken bestehen. Eine vorherige Begutachtung des Terrains ist notwendig, um z.B. Erdrutsche auszuschließen.

Warum wird Energie aus Erdwärme noch sehr wenig genutzt?

Bis jetzt wird nur ein Bruchteil des enormen Potenzials der Erdwärme genutzt. Während die direkte Nutzung von Erdwärme (z. B. mit Wärmepumpen) stetig zunimmt, fristet die Stromgewinnung aus Erdwärme, abgesehen von einigen wenigen Ländern, ein Nischendasein. Das Haupthindernis für eine weitere Ausbreitung sind die hohen Investitionskosten, die bei der Errichtung der Anlagen anfallen. Geothermie-Projekte haben eine sehr lange Planungs- und Genehmigungsphase, die sich über Jahre hinziehen kann.  In dieser Phase fallen auch die größten Kosten an, während die Kosten in der Betriebsphase gering ausfallen. Nur große, finanzstarke Investoren können diese Zeiträume überbrücken.

Fazit

Experten auf den Gebiet der Erneuerbaren Energien prognostizieren für die kommenden Jahre und Jahrzehnte ein kräftiges Wachstum für die Energienuztung aus Erdwärme. Eine große Herausforderung bleibt jedoch die Kosten der industriellen Anlagen  ( z. B. Geothermiekraftwerke) durch technologische Innovationen zu senken, um mit anderen Energiequellen konkurrenzfähig zu werden. In Zukunft wird die Energiegewinnung aus Erdwärme eines von mehreren Puzzleteilen sein, die notwendig sind, um das Ziel einer sauberen und klimaschonenden Energieversorgung zu erreichen.