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Geothermie: Funktionsweise und Nutzungsformen

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Was ist Geothermie?

Geothermie ist eine der wichtigsten Wärmequellen unseres Planeten und wird zur Versorgung von Einfamilienhäusern, Fernwärmenetzen als auch zur Stromgewinnung eingesetzt. Unter der Oberfläche unserer Erde befindet sich eine gewaltige, praktisch unerschöpfliche Energiequelle: Die Geothermie. 99 % des Erdinneren sind heißer als 1000 °C. Und selbst die verbleibenden 1 % sind noch einmal wieder 99 % heißer als 100 °C. Geothermie, die Wärme unseres Planeten, reicht aus, um damit den Energiebedarf aller Menschen um etwa das 2.5fache zu decken. Genutzt wird Geothermie bislang nur vergleichsweise wenig. Dennoch könnte die Geothermie einen wichtigen Beitrag zur Lösung unserer Energieprobleme leisten. Erprobte und wirtschaftliche Technologien stehen dafür zur Verfügung.

Unter Geothermie versteht man die Nutzung der Erdwärme zur Gewinnung von Strom, Wärme und Kälteenergie. Man unterscheidet die oberflächennahe Geothermie bis zu 400 Metern Tiefe und die Tiefengeothermie. Von tiefer Geothermie wird in der Regel bei Geothermieanlagen mit Bohrtiefen von mehr als 400 Metern gesprochen. Die meisten der derzeit in Deutschland genutzten tiefen Geothermiebohrungen sind zwischen circa 2000 und 3500 Metern tief. In Norddeutschland werden die Potenziale der tiefen Geothermie bisher kaum genutzt. Hauptgründe hierfür sind unter anderem die hohen Bohrkosten und das so genannte Fündigkeitsrisiko. Das Fündigkeitsrisiko ist das Risiko eine Bohrung niederzubringen und beispielsweise aufgrund zu geringer Fördermenge, zu geringer Temperatur oder nicht handhabbarer Wasserqualität nicht den notwendigen Wärmegewinn daraus zu erzielen.

Nord-Süd-Schnitt durch das Voralpenland
Unterschiedliche Nutzungsformen der Geothermie im schematischen Nord-Süd-Schnitt durch das Alpenvorland (Grafik: SWM - Stadtwerke München)

Bei einer geothermischen Nutzung wird i.d.R. das in den Sandsteinschichten vorhandene Thermalwasser über mindestens eine Bohrung gefördert und über mindestens eine zweite Bohrung zurückinjiziert. Ein Teil der darin gespeicherten Wärme wird an der Erdoberfläche über Wärmetauscher entzogen. Damit können Wärmenetze oder Einzelabnehmer mit großem Wärmebedarf, wie beispielsweise Gewächshäuser oder Schwimmbäder, versorgt werden. Das Verfahren wird bereits in mehr als 20 Anlagen in Mecklenburg-Vorpommern, in den Niederlanden und in Dänemark erfolgreich genutzt. Ebenfalls über 20 Tiefengeothermieprojekte gibt es in Bayern, wo die geologischen Voraussetzungen besonders im Raum um München noch günstiger sind als in Norddeutschland. Auch eine hydrogeothermale Stromerzeugung ist möglich. Dabei kommen dann u.a. der Kalina-Prozess oder der Organic-Rankine-Cycle (Abkürzung ORC) zum Einsatz.

Oberflächennahe Geothermie

Oberflächennahe Geothermie kommt vor allem bei der Beheizung und Kühlung von Wohnhäusern und größeren kommunalen oder gewerbebetriebenen Gebäuden zum Einsatz. 2018 waren in Deutschland rund 370.000 oberflächennahe Geothermieanlagen installiert. Oberflächennahe Geothermie wird in geschlossenen Systemen mit Erdwärmesonden oder Flächenkollektoren gefördert und vielfach über eine Wärmepumpe auf das gewünschte Vorlauftemperaturniveau "gepumpt". Die im normalen Sprachgebrauch als Erdwärme bezeichnete Geothermie ist eines der umweltfreundlichsten und langfristig kostengünstigsten Heizsysteme. Trotz der einmalig hohen Kosten der Geothermie ist diese Wärmequelle ein sinnvolles Heizsystem für Neubauten als auch Altbausanierungen.

Geothermie - hier: Wie man mit oberflächennaher Geothermie heizen kann (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)
Wärme aus der Erde: Wie man mit oberflächennaher Geothermie heizen kann (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)

Tiefe Geothermie

Tiefe Geothermie wird in der Regel in offenen Systemen genutzt, indem heiße Grundwässer zur direkten thermischen Nutzung oder Verstromung an die Erdoberfläche gefördert werden. Tiefe Geothermie Anlagen sind sowohl für den Einsatz in Großstädten als auch für kleine und mittlere Gemeinden ausgelegt. Sie versorgen u.a. öffentliche Einrichtungen, Messehallen, Gewerbegebiete, Thermalbäder oder auch Wohnhäuser.

Geothermie - hier: hydrothermale Geothermie (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)
Schematische Darstellung eines hydrogeothermischen Kraftwerks (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)

Um für die Stromerzeugung und den Betrieb von Fernwärmenetzen ausreichend hohe Temperaturen zu erreichen, muss entsprechend tief gebohrt werden. Die Mühe lohnt sich, denn einmal angezapft, steht die Geothermie praktisch kostenlos und unabhängig von Wetter, Tages- und Jahreszeit zur Verfügung. Während in Deutschland vereinzelt die hydrothermale Geothermie zur Stromerzeugung genutzt wird, ist die hydrothermale Geothermie zur Wärmegewinnung als auch balneologischen Nutzung bereits weiter verbreitet.

Hier sehen Sie das Geothermiekraftwerk Insheim aus der Vogelperspektive (Foto: Pfalzwerke Aktiengesellschaft)
Das Geothermiekraftwerk Insheim ist ein Geothermiekraftwerk im südpfälzischen Bereich des Oberrheingrabens. Das Kraftwerk wird von den Pfalzwerken betrieben und erzeugt Strom mit Hilfe eines Organic Rankine Cycle (ORC). (Foto: Pfalzwerke Aktiengesellschaft)

2018 waren in Bayern 22 tiefengeothermische Anlagen am Netz, deutschlandweit sind es 36. Die meisten Anlagen finden sich in Bayern rund um München, mehrere Anlagen sind auch im Osten bis zur österreichischen Grenze in Planung bzw. in Bau. Sie nutzen das natürlich vorkommende, etwa 40 bis 175 Grad Celsius warme Wasser in einem geschlossenen Kreislaufsystem. Tiefe-Geothermie-Anlagen sind oft in kommunaler Hand, die meisten bayerischen Anlagen speisen regenerative Wärme in Fern- und Nahwärmenetze ein.

Bohrkerne (hier aus 1102 m der Tiefengeothermie-Bohrung der Stadtwerke Schwerin) zeigen, wie porös und wasserführend die Gesteinsschichten und daraus folgend die zu erwartende Energieausbeute sein können. (Foto: Stadtwerke Schwerin)
Bohrkerne (hier aus 1102 m der Tiefengeothermie-Bohrung der Stadtwerke Schwerin) zeigen, wie porös und wasserführend die Gesteinsschichten und daraus folgend die zu erwartende Energieausbeute sein können. (Foto: Stadtwerke Schwerin)

Weltweit sind vor Allem Philippinen, USA, Indonesien und Island führend in der Nutzung von geothermischen Quellen zur Strom- und Wärmeerzeugung. Indonesien verfügt beispielsweise über 40 Prozent des weltweiten Erdwärme-Potenzials, in 2016 lag die Anschlussleistung aber "nur" bei insgesamt 1643,5 MW. Indonesien lag damit auf Platz 3 hinter den Philippinen und den USA. Island hat hingegen die Nutzung der Geothermie seit Mitte der 90er Jahre konsequent ausgebaut und versorgt nun Island zu 30% mit geothermischen Strom und zu 95% mit geothermischer Wärme.

Tabelle: Die weltweit größten Geothermie-Kraftwerke im Überblick (Stand: 2019)
Geothermie-Kraftwerk Kapazität Land Inbetriebnahme
Gunung Salak Geothermal Power Plant 375 MW Indonesien 1994
Sarulla 1 330 MW Indonesien 2017
Hellisheidi Geothermal Power Plant 303 MW Island 2006
Darajat Geothermal Power Plant 255 MW Indonesien 1994
Malitbog 232,5 MW Philippinen 1996
Wayang Windu Geothermal Power Plant 227 MW Indonesien 2000
Cerro Prieto III 220 MW Mexiko 1985
Cerro Prieto II 220 MW Mexiko 1984
Olkaria I 195,5 MW Kenia 1981
Efeler Geothermal Power Plant 162,5 MW Türkei 2014
Geothermie-Kraftwerk Hellisheidi in Island (Foto: energie-experten.org)
Das Geothermie-Kraftwerk Hellisheiði stellt mit mehr als 60 Produktionsbohrungen eine elektrische Leistung von über 300 MW bereit. Es ist damit das größte Single-Site Geothermie-Kraftwerk der Welt. (Foto: energie-experten.org)

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"Geothermie: Funktionsweise und Nutzungsformen" wurde am 09.09.2020 das letzte Mal aktualisiert.