Im Erdkern – dem Inneren der Erde – herrschen Temperaturen von über 5000°C vor. Wirtschaftlich nutzbare Wärmereservoirs für Geothermie weisen üblicherweise Temperaturen bis zu 200°C aus.

geothermal-plant-nesjavellir-iceland (ucsusa)

Geothermie

Die Temperatur sinkt dabei, je weiter man sich vom Erdkern entfernt und erreicht in der Erdkruste (bis zu 40 km dick) einige hundert Grad Celsius. Von der Erdoberfläche aus betrachtet steigt die Temperatur mit zunehmender Tiefe um etwa 30 °C je km. Der Großteil dieser Wärme stammt originär aus dem radioaktiven Zerfall von Elementen im Erdkern. Diese entstandene Wärme wurde vom Gestein aufgenommen und ist dort gespeichert. Gestein ist ein guter Wärmespeicher, aber ein schlechter Wärmeleiter, daher steht die Erdwärme an der Grenze zwischen erneuerbaren und fossilen Energien: Nur wenn sie nachhaltig genutzt wird, erneuert sie sich genauso schnell wie sie verbraucht wird.

In vulkanischen Regionen können Anomalien mit oberflächennahen Magma-Kammern vorkommen, die zu höheren Temperaturen in geringeren Tiefen führen. Da die Kosten für die Bohrung einen großen Teil der Gesamtkosten für die Nutzung von Geothermie ausmachen, liegen die wirtschaftlichen Potenziale für Stromerzeugung in diesen Gegenden. Bespiele hierfür sind Island sowie Italien und Neuseeland. Da in Deutschland geologische Anomalien nur sehr begrenzt vorkommen, wird Geothermie noch nicht in signifikantem Umfang genutzt.

Für die Stromerzeugung (z. B. im Dampfkraftprozess) sind möglichst hohe Temperaturen notwendig. Um diese zu erreichen, muss tief gebohrt werden, was mit hohen Kosten verbunden ist. Wirtschaftlich nutzbare Wärmereservoirs weisen üblicherweise Temperaturen bis zu 200°C aus, der Carnot-Wirkungsgrad ist folglich gering.

Die Nutzung einer Temperatur von 160°C z. B. führt bei einer Entspannung auf 50°C in der Turbine zu einem Carnot-Faktor von 25,4%. Dieser Wert ist der theoretische Maximalwirkungsgrad, wird also in realen Kraftwerksprozessen noch einmal deutlich unterschritten.

Möglichkeiten zur Nutzung der Erdwärme umfassen die Nutzung von folgenden Erdwärmequellen:

  1. Natürliche Heißdampf- und Heißwasser-Quellen
  2. Künstliche Tiefenbohrungen in heiße Aquifere
  3. „Hot-Dry-Rock“ – Abkühlung

Mangels anderweitiger Vorkommen wird in Deutschland derzeit vor allem Option (3) untersucht. Die elektrischen Leistungen bewegen sich im Bereich um 10 MW. Beim Hot-Dry-Rock-Verfahren wird in heißes, trockenes Gestein gebohrt und dieses durch eine Sprengung zerklüftet. In die Bohrung wird dann Wasser eingepresst und über eine zweite Bohrung Heißdampf entnommen.

Der Dampf bzw. das heiße Wasser hat Temperaturen bis 200°C und gibt seine Energie über einen Wärmetauscher an einen sekundären Wasser-/Dampfkreislauf ab. Der Sekundärkreislauf ist der Kreislauf eines Dampfkraftprozesses.

Der geringe Wirkungsgrad und die hohen Kosten der Tiefenbohrungen führen zu hohen Stromgestehungskosten bei der geothermischen Stromerzeugung.

Ein Vorteil von Geothermie-Kraftwerken ist, dass diese als Grundlastkraftwerke gefahren werden können, da die Wärmeenergie nicht fluktuierend, sondern dauerhaft zur Verfügung steht.