Geothermie – Energie aus der Erde

Das Innere der Erdkugel ist ganz schön heiß. Wie ein gigantischer Heizkörper strahlt die Erde täglich Wärmeenergie ins Weltall ab - und zwar rund 2,5 Mal so viel Energie wie alle Menschen weltweit benötigen. Nicht schlecht, oder? Nach Einschätzung von Experten glüht der Planet noch zwei bis drei Milliarden Jahre so weiter. Erdwärme ist eine natürliche Energiequelle. Geothermie heißt die Technik, mit der wir die Erdwärme nutzen können. "Geo" bedeutet Erde und "thermos" warm. Beide Wörter kommen aus dem Griechischen.

 

Bist Du schon einmal ohne Strümpfe und Schuhe durch eine Wohnung mit Fußbodenheizung gelaufen? Das fühlt sich angenehm warm an. Eigentlich müssten wir auch vor der Haustür im Winter barfuß herumlaufen können, denn das Innere der Erde ist eine enorme "Fußbodenheizung": Etwa 99 Prozent unseres Planeten sind wärmer als 1.000 Grad Celsius. Ganz schön heiß, was?

Das Innere der Erde besteht aus flüssigem Gestein und Metall. Wie ein glühender Kohleofen erwärmt es den Planeten von innen. Pro hundert Meter Tiefe klettert die Erdtemperatur bei uns in Europa im Durchschnitt um drei Grad Celsius nach oben. Einen Kilometer unter unseren Füßen herrschen also 30 Grad Celsius: eine Temperatur wie im Sommer - und das auch im tiefsten Winter. Je näher man dem Mittelpunkt der Erde kommt, desto heißer wird es. Wissenschaftler schätzen die Temperatur im Erdkern auf etwa 6.000 Grad Celsius. Von innen nach außen werden die Erdschichten kälter. Bis zur Oberfläche kühlt die Temperatur auf durchschnittlich 15 Grad Celsius ab. Ein Glück, denn sonst würden wir uns glatt die Füße verbrennen.
Querschnitt durch die Erdkugel mit den unterschiedlichen Erdschichten.Das Innere der Erde besteht aus vielen Schichten. © icomedias/ D. Nagengast

Wie entsteht Erdwärme?

Experten nehmen an, dass etwa 30 Prozent der Wärmeenergie im Inneren unseres Planeten aus der Zeit der Entstehung der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren stammen. Gase und Staub aus dem All ballten sich zusammen und verdichteten sich immer mehr, unser Sonnensystem und damit auch der Planet Erde entstanden. Bei diesem Prozess wurden riesige Mengen an Energie freigesetzt. Ein großer Teil der Energie wurde ans Weltall abgegeben, ein Rest im Erdinneren eingeschlossen. Zu Anfang war die Erde nichts als flüssiges Gestein. Im Laufe von Jahrmillionen verfestigte sich das Gestein aber zu einer harten Oberfläche, der so genannten Erdkruste.

70 Prozent der Erdwärme entstehen dadurch, dass in der Natur vorkommende radioaktive Stoffe wie Kalium, Uran und Thorium sich im Inneren der Erdschichten spalten. Radioaktivität bedeutet, dass sich die Atomkerne bestimmter Stoffe von selbst in andere Atomkerne umwandeln. Atome sind die kleinsten Grundbausteine eines Stoffes. Sie bestehen aus der vergleichsweise großen Atomhülle und dem winzigen Atomkern. Radioaktive Stoffe sind instabil, das heißt ihr Atomkern verwandelt sich ohne äußere Einwirkung. Dabei wird Energie frei. Diese Energie ist gemeint, wenn Experten von radioaktiver Strahlung sprechen. Ein Teil der Strahlung wird in Form von Wärmeenergie abgegeben. Diese Wärme erhitzt das Gestein und das Wasser, das in manchen Schichten der Erde enthalten ist. So wird die Erdkugel von innen "geheizt", bis alle radioaktiven Stoffe umgewandelt sind. Nach Einschätzung der Wissenschaftler kann das noch Milliarden von Jahren dauern.
Eine Hand mit Gummihandschuh halt eine Ampulle mit einer radioaktiven Substanz.Mit radioaktiven Stoffen muss man sehr vorsichtig sein. Ihre Strahlung kann dem Menschen schaden. © istockphoto.com

Erdwärme hat viele Vorteile

Im Vergleich zu anderen Energieformen hat Erdwärme viele Vorteile: Anders als beispielsweise Sonne und Wind ist Erdwärme immer verfügbar. Sie kann rund um die Uhr und an jedem Ort genutzt werden. Und: Bei ihrer Nutzung entstehen keine Stoffe, die die Umwelt schädigen. Das Prinzip der Geothermie ist einfach: Je tiefer das Bohrloch im Erdboden ist, umso höher steigt die Temperatur im Inneren. Mit steigender Temperatur steigt auch die Energiemenge, die zum Beispiel die Betreiber eines Kraftwerks aus der natürlichen Erdwärme gewinnen können.

Heizen mit der Wärmepumpe

Wenn Experten vergleichsweise nah an der Erdoberfläche bleiben und bis zu 400 Meter tief bohren, herrschen Temperaturen zwischen 8 und 12 Grad Celsius. Schon diese Temperaturen reichen aus, um zum Beispiel mit Hilfe von so genannten Wärmepumpen Wasser für die Dusche oder die Heizung eines Einfamilienhauses zu erhitzen. Viele Hausbesitzer nutzen diese Technik und sparen dadurch Öl, Gas oder Strom. Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank - nur umgekehrt. Eine Flüssigkeit, die Wärme aufnehmen kann, wird durch Rohre in die Erde geleitet. Als Transportmittel für die Wärmeenergie werden Stoffe eingesetzt, die schon bei niedrigen Temperaturen verdampfen - so zum Beispiel der Kohlenwasserstoff Propan (C3H8), den Du vielleicht als Flüssigkeit in der Patrone eines Campingkochers kennst. Verdampfen heißt, dass aus einer Flüssigkeit ein Gas wird.

Wie ein langer Zug die Passagiere an der Strecke nimmt das flüssige Propan auf seiner Reise durch die Rohre die Wärmeenergie der Erde auf und verdampft dadurch. Im Verdichter der Wärmepumpe wird das gasförmige Propan zusammengepresst, durch den Druck steigt seine Temperatur. Das erhitzte Gas strömt weiter zum Verflüssiger, einem so genannten Wärmetauscher, in dem die aus der Erde gewonnene Wärmeenergie beispielsweise an das Heizungs- oder Warmwassersystem eines Hauses abgegeben wird. Durch das Entziehen der Wärmeenergie und den sinkenden Druck kühlt das Propan ab, wird wieder flüssig und kann erneut Wärme aufnehmen. Ein Kreislauf entsteht. Ein Nachteil der Wärmepumpe ist, dass wir Strom benötigen, damit sie funktioniert.

Wie funktioniert ein Geothermie-Kraftwerk?

Werden größere Energiemengen benötigt, bohren die Spezialisten zwischen 400 und 5.000 Meter tief. Hier liegen die Temperaturen sehr viel höher. In 3.500 Meter Tiefe herrschen in Deutschland in etwa 100 Grad Celsius - je nach Dicke der Erdkruste können die Temperaturen von Region zu Region unterschiedlich sein. Für die Stromerzeugung durch ein Geothermie-Kraftwerk ist eine Temperatur von mindestens 100 Grad Celsius notwendig. Warum? Wie Du vielleicht weißt, siedet Wasser bei 100 Grad Celsius und wird zu Wasserdampf.

Ein Geothermie-Kraftwerk bildet einen Kreislauf, bei dem Wasser als Transportmittel für die Wärmeenergie genutzt wird: Von einem Kühlturm wird kaltes Wasser durch ein Rohr mit hohem Druck in heiße Gesteinsschichten gepresst. Durch den hohen Druck des Wassers wird das Gestein gesprengt, es bilden sich Risse und Kanäle, durch die sich das Wasser einen Weg bahnt. Das kannst Du Dir vorstellen wie eine Flutwelle, die sich mit Gewalt einen Weg durch eine Stadt bahnt. Auf dem Weg durch die Kanäle nimmt das Wasser die Wärmeenergie des heißen Gesteins auf und verdampft.
Infografik: Schematischer Wasserkreislauf in einem geothermischen Kraftwerk.Ein Geothermie-Kraftwerk nutzt Wasser als Transportmittel für Wärmeenergie. Das Wasser zikuliert in einem Kreislauf. © icomedias/ D. Nagengast

Wie Du zum Beispiel an einem Topf mit kochendem Wasser beobachten kannst, steigt Wasserdampf von Natur aus nach oben. Über ein zweites Rohr sucht sich der Wasserdampf jetzt also den einfachsten Weg zur Erdoberfläche. Im Kraftwerk treibt er eine Turbine an, die mit Hilfe eines Generators Strom erzeugt. Anschließend wird der Wasserdampf zurück in den Kühlturm geleitet, wo er abkühlt und wieder zu Wasser wird. Der Kreislauf kann von vorne beginnen. Neben diesem Verfahren, das Experten "Hot-Dry-Rock"-Verfahren nennen, gibt es noch andere Verfahren. "Hot-Dry-Rock" heißt übersetzt "heißes trockenes Gestein".

Energie der Zukunft

In Deutschland wird Erdwärme an vielen Stellen direkt genutzt - zum Beispiel im Reichstagsgebäude des Bundestages in Berlin. Die Stromerzeugung durch Geothermie hat in Deutschland gerade erst begonnen: Das erste geothermische Kraftwerk in Deutschland ist 2004 in Mecklenburg-Vorpommern ans Netz gegangen. Zwei weitere Kraftwerke stehen in Unterhaching bei München und Landau in der Pfalz. In Zukunft dürfte Erdwärme für die Energiegewinnung immer wichtiger werden.

Text: Björn Bossmann

Zwei Arbeiter in der Turbinenhalle eines Kraftwerks.So sieht die Turbinenhalle eines Kraftwerks aus. © istockphoto.com

Übrigens...

Schon die alten Römer nutzten die Wärme des Erdinneren. Sie bauten Badehäuser, deren Becken mit heißem Wasser aus unterirdischen Quellen gespeist wurden. Diese Bäder nannten sie "Thermen": Der Begriff kommt von griechisch "thermos", das heißt "warm". Thermen gab es schon im zweiten Jahrhundert vor Christus. Den Nachfolger der römischen Therme kennen wir als "Thermalbad": Hier ist das Wasser mehr als 20 Grad Celsius warm. Es entspringt einer natürlichen Quelle, enthält viele Mineralstoffe wie Calcium oder Magnesium und soll die Gesundheit und die Entspannung der Muskeln und Gelenke fördern.