Heiß und kühl

©  NASA In der Schwerelosigkeit sorgt eine galaktische Rotation dafür, dass sich die Materie Richtung Zentrum verdichtet (Akkretion)

Die Nuklear-Batterie
Vor circa 4,6 Milliarden Jahren leitete eine intergalaktische Ansammlung von Materie die Geburt unseres Planeten ein. Die dabei entstandene Bewegungsenergie wandelte sich zeitgleich in Wärme um. Die geringe Wärmeleitfähgikeit von irdischem Gestein macht unseren Planeten zu einem enormen Speicher, sodass auch die heutige Erdwärme noch zu unglaublichen 30 Prozent aus dieser archaischen Hitze besteht. Die übrigen 70 Prozent resultieren aus dem steten radioaktiven Zerfall der im Erdkörper enthaltenen Isotope Thorium 232, Kalium 40, Uran 235 sowie Uran 238. Die in der Erdkruste gespeicherte Wärme nennt man tatsächlich Geothermie, und da diese radioaktiven Prozesse noch zig Millionen Jahre andauern, kann man hierbei sicher von einer regenerativen Energiequelle sprechen.

©  Bundesverband Wärmepumpe e. V. Schematische Darstellung einer Sole-Wasser-Anlage, bei der ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf (Sole) aus der Erde in das Wärmetauscher-System eingespeist wird und dort das Brauchwasser (Wasser) erhitzt

Mit Wärmepumpen oberflächennahe „Wärme“ nutzen
Oberflächennahe Geothermie wurde bereits von den Römern in Form von Thermen betrieben. Mit bis zu 68 Grad Celsius warmen Quellen war die Siedlung Aquae, das heutige Baden-Baden, auch 80 n. Chr. bereits ein idealer Standort für die Errichtung von Thermalbädern. Doch wer hat schon eine heiße Quelle im Garten? Dank der Wärmepumpenheizung, kann heute nahezu jeder Haushalt die Wärme aus dem Boden nutzen. Und doch nutzt man nicht die wohlige Wärme, so wie einst die Römer an vereinzelten Orten. Generell herrschen in Deutschland in einer Tiefe von 100 Metern Temperaturen von rund 10 Grad Celsius. Das klingt zunächst wenig, doch verglichen mit dem absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius), schlummert hier bereits einiges an Wärmeenergie. Durch senkrecht in den Boden eingelassene Erdwärmesonden gelangt ein flüssiges Kältemittel in die Erde. Da dieses Kältemittel kühler als das Erdreich ist, entzieht es die gespeicherte Erdwärme. Zurück an der Oberfläche strömt die Flüssigkeit in die Wärmepumpe, um in einem Wärmeübertrager durch Verdampfungskühlung die gespeicherten Temperaturen an ein anderes Wärmeträgermedium, meistens Wasser, abzugeben. Unter Zufuhr von technischer Arbeit (Strom) pumpt die eigentliche Wärmepumpe das „kühle“ Nass auf eine höhere Temperatur. Von hieraus geht es weiter in die Heizsysteme des Gebäudes.

©  R.R.Hundt - Fotolia.com Wärmepumpenheizungen sind auch nicht viel größer als normale Heizungen, die mit fossilen Brennstoffen arbeiten. Dafür entfällt der Tank fürs Öl, die Gasleitungen und - ohne Abgase - auch der Kamin

Mit Wärmepumpen Energie sparen
Und diese Technik funktioniert nicht nur über Erdwärmesonden: Auch Brunnen, großflächige Leitungsnetze zwei Meter unter dem Garten oder Luftansauglösungen sind seit Jahrzehnten vor allem in Skandinavien und in der Schweiz etabliert. Seit einigen Jahren finden diese alternativen Heizmethoden auch bei uns immer mehr Anhänger. So beispielsweise beim 41-jährigen Hausbesitzer Michael Bokelmann aus Bottrop. Er hat sich bei der Kernsanierung seines 80 Jahre alten Hauses bewusst für eine Wärmepumpenheizung entschieden: „Das Gerät steht im Keller, ist so groß wie ein geräumiger Kühlschrank, brummt aber viel weniger. Ein tadelloses System, mit dem wir jährlich etwa die Hälfte der Energiekosten im Vergleich zu einer üblichen Gas-Heizung einsparen.“ Es scheint technologischer Hokuspokus zu sein, und doch ist es eine einfache und altbekannte Physik, die hier wirkt. „Das ist genau das Gleiche wie bei einem Kühlschrank“, erläutert Prof. Dr. rer. nat. Rolf Bracke vom Geothermiezentrum Bochum (GZB): „Wird der Kühlschrank mit Milch beladen, dann entzieht er ihr die Wärme, indem er sie auf 3 bis 4 Grad Celsius abkühlt. Diese Wärme gibt er über einen Wärmetauscher über die sich aufheizenden Kühlrippen auf der Rückseite jedes Kühlschrankes an die Außenluft ab. Diese Wärme ist im Prinzip das, was bei der Wärmepumpenheizung ins Gebäude überführt wird.“

©  GBZ Wir leben auf einer nach innen zunehmend heißer werdenden Schale, die maßstabsgetreu einer Apfelschale gleicht

Die Erde als Kraftwerk
„Man muss sich die Erde als eine sehr dünne Kruste vorstellen, die nur zwischen 5 und 50 Kilometern mächtig ist“, beschreibt Prof. Bracke vom GZB den äußeren Teil des Erdmantels. In diesem relativ dünnen Bereich haben wir grundsätzlich einen Temperaturanstieg von 3 Grad Celsius pro 100 Metern Tiefe. Aus diesem Grund ist es in 1.000 Meter tiefen Bergwerken immer entsprechend warm. An einigen Stellen weist jedoch bereits die oberflächliche Erdkruste Risse mit vulkanischer Aktivität auf. Wenige Meter unter der Erdoberfläche existieren dort Wasser- oder Dampfquellen mit Temperaturen von mehreren 100 Grad Celsius.
In Hochenthalpie-Lagerstätten wird mit Hilfe dieses Thermalwassers Strom erzeugt. Während früher Wassertemperaturenvon mindestens 100 Grad Celsius notwendig waren, ermöglicht heute das Organic Rankine Cycle-Verfahren eine Nutzung ab 80 Grad Celsius. Hierbei überträgt sich die Wärme des Wassers auf ein Lösungsmittel, welches bereits bei geringen Temperaturen verdampft. Im Kalina-Verfahren setzt man demgegenüber anstelle des Lösungsmittels ein Gemisch von Wasser und Ammoniak ein. Der erzeugte Dampf betreibt dann die Turbinen zur Stromgewinnung.

©  Geothermie Unterhaching Der Gesamtüberblick, im Vordergrund der Generator mit einer Auslegungsleitung von 3,36 MW. Im Hintergrund die drei Verdampfer

Ein Schmelztiegel der Wissenschaften
In Deutschland rückt die Geothermie seit etwa drei Jahren ins öffentliche Interesse: „Das liegt schlichtweg daran, dass sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zum Positiven verändert haben“, erläutert Prof. Bracke vom GZB. „Das Erneuerbare-Energien-Gesetz wurde so angepasst, dass es jetzt höhere Fördergelder für Geotechnik gibt. Derzeit sind zwar erst weniger als zehn Kraftwerke aktiv, aber es wurden bereits über 100 Konzessionen und Erlaubnisfelder vergeben“. Eines der deutschen Geothermie-Kraftwerke steht in Unterhaching. Neben der Wärmeversorgung aus dem Thermalwasser produziert man dort seit 2009 auch Strom über eine Kalina-Anlage.
Ein wahrer Schmelztiegel nicht nur der Ingenieurwissenschaften hat das Kraftwerk dort aus der Erde gehoben: „Bei der Entwicklung und dem Betrieb eines geothermischen Kraftwerkes sind zahlreiche Kompetenzen unerlässlich. Geologen, Bohringenieure, Versorgungsingenieure, Techniker, Planer für die Errichtung des Wärmekreislaufes sowie für die Stromerzeugungsanlage und Informatiker für die Leittechnik“, sagt Geschäftsführerin der Geothermie Unterhaching Dipl. Ing. Gerlinde Kittl. Dass die Beschäftigung mit der Erdkruste alles andere als langweilig ist, zeigte sich auch in Unterhaching: „Bei den Bohrungen stößt man auf Muscheln oder andere Überbleibsel der Urzeit“, erzählt Kittl. „Auch technische Überraschungen sind keine Seltenheit: Man durchbohrt geologische Horizonte die sich anders als geplant verhalten. So ist einmal der Bohrmeißel steckengeblieben, und es ging weder vor noch zurück. Am Ende musste er abgesprengt werden und die Bohrung an anderer Stelle neu begonnen werden.“