Was ist geothermische Energie?
Entdecken Sie, wie diese saubere, erneuerbare Energiequelle dazu beitragen kann, die Abhängigkeit der Welt von fossilen Brennstoffen zu verringern.
Was ist geothermische Energie?
Während Menschen, Organisationen und Nationen nach Wegen suchen, die CO2-Emissionen zu reduzieren, haben Regierungen und Unternehmen wichtige Zusagen zur Reduzierung der CO2-Emissionen gemacht. Die Suche nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas und Erdöl ist entscheidend, um diese Ziele zu erreichen. Zu diesem Zweck gewinnen erneuerbare, saubere Energiequellen wie Sonne, Wasser, Wind und Erdwärme zunehmend an Bedeutung.
Heutzutage gilt geothermische Energie als eine der effizientesten und nachhaltigsten Energieformen, da sie eine saubere, zuverlässige und erneuerbare Ressource ist. Die geothermische Energie nutzt die in der Erdoberfläche gespeicherte Wärme, um Elektrizität zu generieren und geothermische Wärme und Kälte bereitzustellen. Geothermische Ressourcen werden in Nordamerika schon seit mehr als 10.000 Jahren genutzt, denn die amerikanischen Paläo-Indianer verwendeten geothermische heiße Quellen zum Wärmen, Kochen und Baden.
Die Geografie spielt eine entscheidende Rolle für die Fähigkeit einer Region, die Vorteile der geothermischen Energie zu nutzen. Die besten geothermischen Ressourcen befinden sich in der Regel in der Nähe der Grenzen der tektonischen Platten. Vulkanische Aktivität und Erdbeben konzentrieren sich in der Nähe dieser Grenzen aufgrund von Bewegungen in der Erdkruste. Der Feuerring an den Rändern des Pazifischen Ozeans beispielsweise ist eine Aneinanderreihung von Vulkanen und seismischer Aktivität, die hauptsächlich durch Plattentektonik verursacht wird. Infolgedessen gibt es in dieser Region die aktivsten geothermischen Gebiete der Welt.
Derzeit ist Nordamerika weltweit führend in der geothermischen Energieerzeugung, obwohl die geothermische Energie nur einen kleinen Prozentsatz des Energieverbrauchs in den USA ausmacht. Da geothermische Energie häufig in der Nähe der Grenzen der tektonischen Platten vorkommt, befinden sich die meisten Geothermiekraftwerke in den westlichen Bundesstaaten der USA. Kalifornien verfügt mit 40 in Betrieb befindlichen Geothermiekraftwerken über die größte Kapazität an geothermischer Stromerzeugung.
Island, die Philippinen und El Salvador sind ebenfalls weltweit führend im Bereich der geothermischen Energie, wobei die geothermische Energie mehr als 25 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in jedem Land ausmacht.
Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die geothermische Energie zu erfahren, ihre Vor- und Nachteile zu bewerten und Beispiele für geothermische Energie zu entdecken. Sie werden auch etwas über die Zukunft der geothermischen Energie erfahren und darüber, wie die Technologie dazu beitragen kann, Innovationen im Bereich der geothermischen Energie zu beschleunigen.
Arten von geothermischer Energie
Geothermische Energie wird aus der in der Erde erzeugten Wärme gewonnen. Der Begriff „Geothermie“ stammt von den griechischen Wörtern „Geo“, was Erde bedeutet, und „Thermos“, was warm bedeutet. Unter der Erdkruste, die aus Gestein und Wasser besteht, befindet sich eine Schicht aus heißem, geschmolzenem Gestein, das Magma. Magma erreicht Temperaturen von 1.300 °F bis 2.400 °F und kann als Lava an die Erdoberfläche sprudeln. Magma erhitzt auch Gestein und unterirdische Wasserschichten, die durch Geysire, heiße Quellen und Dampfaustritte freigesetzt werden können – alles Beispiele für geothermische Energie.
Der größte Teil der geothermischen Energie der Erde verbleibt jedoch unterirdisch in Form von Dampf und heißem Wasser und wird mit verschiedenen Methoden gewonnen:
Niedertemperatur-Geothermie
- Wärme, die aus geothermischer Flüssigkeit in der Nähe der Erdoberfläche gewonnen wird, steigt von selbst auf oder wird über eine Bohrung erschlossen.
- Der Zugriff ist fast überall auf der Welt möglich.
- Direkte geothermische Anwendungen wie das Heizen von Häusern, Gewächshäusern, Fischereien und einigen industriellen Prozessen.
Co-erzeugte Geothermie
- Nutzt Wasser, das als Nebenprodukt von Öl- und Gasbohrungen erhitzt wird.
- Erzeugt Strom, der von der Anlage selbst genutzt oder an das Netz verkauft wird.
Geothermisches Heizen und Kühlen
- Geothermische Wärmepumpen werden zwischen 10 und 300 Fuß in die Erde gebohrt.
- Wärmt Häuser und Gebäude im Winter und kühlt sie im Sommer.
Geothermiekraftwerk
- Zapft geothermische Reservoirs an, die bis zu zwei Meilen tief in der Erde liegen.
- Erzeugt Strom.
Vor- und Nachteile der geothermischen Energie
Obwohl es sich bei der geothermischen Energie um eine erneuerbare und saubere Energieressource handelt, hat sie auch Nachteile, wie z.B. hohe Anfangskosten und das Potenzial, Erdbeben und Bodensenkungen zu verursachen.
Vorteile der geothermischen Energie:
- Umweltfreundlich: Geothermiekraftwerke haben eine minimale CO2-Bilanz und die mit ihnen verbundene Umweltverschmutzung ist sehr gering. Geothermisches Heizen und Kühlen reduziert die Treibhausgasemissionen.
- Erneuerbar: Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen werden die erneuerbaren geothermischen Energiereserven in der Erde auf natürliche Weise wieder aufgefüllt und reichen für Milliarden von Jahren.
- Zuverlässig und konstant: Im Gegensatz zu Windenergie und Sonnenenergie ist geothermische Energie immer verfügbar und schwankt nicht. Die Geschäftsleitung kann die Stromerzeugung aus Geothermiekraftwerken genau vorhersagen, was sie ideal für die Deckung des Grundlaststrombedarfs macht.
Nachteile der geothermischen Energie:
- Nebeneffekte für die Umwelt: Geothermische Energie führt dazu, dass einige Treibhausgase unterhalb der Erdoberfläche in die Atmosphäre entweichen. Geothermiekraftwerke können die Stabilität des Bodens beeinträchtigen und haben bereits Erdbeben und Bodensenkungen ausgelöst.
- Verwaltung erforderlich: Sobald sie von einem Geothermiekraftwerk angezapft werden, müssen die geothermischen Reservoirs ordnungsgemäß verwaltet werden, um sicherzustellen, dass sie nicht erschöpft werden.
- Die Anlagen sind auf bestimmte Standorte beschränkt: Geothermiekraftwerke können nur in Gebieten in der Nähe der Grenzen der tektonischen Platten gebaut werden, wo geothermische Reservoirs vorhanden sind.
Geothermiekraftwerke
Geothermiekraftwerke nutzen geothermische Hochtemperaturressourcen, die entweder aus Trockendampf- oder Heißwasserbohrungen stammen. Ähnlich wie bei der Erdölförderung werden bei Geothermiekraftwerken Bohrungen tief in die Erde vorgenommen. Der Dampf oder das heiße Wasser wird an die Oberfläche gepumpt, wo es zum Antrieb von Turbinen verwendet wird, die Strom erzeugen.
Es gibt drei Arten von Geothermiekraftwerken:
Trockendampfkraftwerke
Nutzen Sie natürliche unterirdische Dampfquellen. Der Dampf steigt im Förderbrunnen an die Erdoberfläche, überträgt seine Energie auf die Turbine, kondensiert und wird zurück in die Erde gepumpt oder in die Atmosphäre abgegeben. Trockendampfkraftwerke sind die älteste Art von Geothermiekraftwerken und gelten als die einfachsten und effektivsten.
Das älteste Trockendampfkraftwerk befindet sich in Laredo, Italien. Es wurde 1911 erbaut und versorgt noch immer mehr als eine Million Einwohner mit Strom. Ein weiteres wichtiges Trockendampfkraftwerk ist die Geysers Geothermal Resource Area nördlich von San Francisco. Es produziert seit den 1960er Jahren Strom und liefert etwa ein Fünftel der erneuerbaren Energie in Kalifornien.
Brüdendampfkraftwerke
Wandeln Sie unter hohem Druck stehendes Wasser, das heißer als 360 °F ist, aus der Tiefe der Erde in Dampf um. Wenn das heiße Wasser die Oberfläche erreicht, wird es in einen „Flash-Tank“ (Entspannungsbehälter) geleitet, in dem ein viel niedrigerer Druck herrscht. Der verringerte Druck führt dazu, dass ein Teil des Wassers „geflasht“ wird, d. h. es verdampft schnell zu Dampf, der die Turbinen antreibt. Flüssigkeitsreste können in einem zweiten Flash-Tank erneut geflasht werden, um mehr Energie zu gewinnen.
Brüdendampfkraftwerke sind die gängigsten Geothermiekraftwerke, die heute in Betrieb sind. Island, eine Vulkaninsel, nutzt Brüdendampf-Geothermiekraftwerke, um fast den gesamten Strombedarf des Landes zu decken. Die Philippinen, die am Feuerring liegen, haben das größte Brüdendampfkraftwerk der Welt.
Binäre Geothermiekraftwerke
Sie verfolgen einen anderen Ansatz zur Wärmeerzeugung. Sie arbeiten mit unter hohem Druck stehendem Wasser bei niedrigeren Temperaturen – zwischen 225 °F und 330 °F. Bei dieser Methode wird ein Wärmetauscher verwendet, um die Wärme des heißen Wassers auf eine Sekundärflüssigkeit zu übertragen, die die Turbinen antreibt.
Da Wasser mit mittlerer Temperatur in größerem Umfang zur Verfügung steht, wird erwartet, dass Binary Cycle-Kraftwerke in Zukunft die häufigste Art von Geothermiekraftwerken sein werden.
Wie wird geothermale Energie genutzt?
Die drei gängigsten Verwendungsmöglichkeiten für geothermische Energie sind die direkte Nutzung, die Stromerzeugung und das Heizen und Kühlen mit Erdwärme.
Direktverwendungssysteme für Geothermie
Nutzen Sie natürlich gewärmtes Grundwasser, das sich ein paar Meter bis weniger als eine Meile unter der Erdoberfläche befindet. Quellen werden gebohrt, um das Grundwasser zu extrahieren, das bis zu 200°F oder heißer sein kann. In einigen Fällen kann das heiße Wasser oder der Wasserstrom allein aufsteigen, ohne dass aktives Pumpen erforderlich ist, und kann direkt verwendet oder durch einen Wärmeaustauscher geleitet werden.
Direktzuverwendendes Wasser unterstützt viele Anwendungen, einschließlich dem Wärmen von Fischfarmen, dem Schmelzen von Eis und Schnee auf Bürgersteigen und Straßen, dem Wärmen großer Pools, dem Wärmen von Gebäuden und der Bereitstellung von heißem Wasser. Obwohl die Investitionskosten für geothermale Direktnutzungssysteme niedriger sind als bei tieferen Geothermiesystemen, ist die Technologie auf Bereiche beschränkt, die in der Nähe oder an der Erdoberfläche heiße Wasserflächen aufweisen, z. B. Regionen mit Vulkan- oder tektonischer Aktivität.
Energieerzeugung
Die drei oben beschriebenen Arten von Energieverbrauchsanlagen greifen tief in der Erde auf geothermale Ressourcen zu, um Strom zu erzeugen. Die meisten verfügen über geschlossene Schleifen-Wassersysteme, bei denen das extrahierte Wasser nach der Verwendung direkt wieder in das geothermale Wasserlager gepumpt wird. Da ein Großteil des Wassers in Wasserdampf umgewandelt wurde, müssen die Kraftwerke erhebliche Mengen an Wasser erneut injizieren, um ein stabiles Wasservolumen im Lager zu erhalten. Obwohl es sich bei der Energieversorgung um eine erneuerbare Ressource handelt, die heutzutage in etwa 20 Ländern verwendet wird, werden die meisten geothermalen Quellen im Laufe der Zeit abkühlen, insbesondere, wenn Wärme schneller extrahiert wird, als das Wasser aufgefüllt wird.
Geothermisches Heizen und Kühlen
Dies ist die üblichste Verwendung geothermaler Energie heutzutage – auch bekannt als Wärmen und Kühlen von Grundquellen. Um zu beantworten, wobei es sich bei geothermaler Erwärmung handelt, muss man verstehen wie eine geothermale Wärmepumpe (auch als Grundquellwärmepumpe bezeichnet) funktioniert. Anstatt Wärme zu erzeugen, verwendet die Pumpe die Erde als Wärmequelle und verschiebt die Wärme zwischen der Erde und dem Haus oder Gebäude.
Die Pumpe wird zwischen 10 und 300 Fuß in die Erde gebohrt und ist mit langen Schleifen von Rohren verbunden, die Flüssigkeiten unter der Erde und im gesamten Gebäude zirkulieren. Im Winter nimmt die Flüssigkeit die Wärme der Erde auf und trägt sie in das Gebäude, wo die geothermale Erwärmung sie durch ein Leitungssystem freisetzt. Im Sommer nimmt die Liquid die Wärme im Gebäude auf und trägt sie zur Kühlung in die Erde herunter.
Weitere Möglichkeiten der Nutzung geothermaler Energie
- In der Landwirtschaft wird geothermische Energie genutzt, um die Pflanzen im Winter warm zu halten, indem Dampf auf den Boden geleitet wird.
- Einige Kurbäder verwenden geothermische Belüftungsanlagen zur Beheizung ihrer Whirlpools und Bäder.
- Thermalquellen sind für ihre therapeutische Wirkung auf die Gesundheit der Menschen bekannt.
- Natürliche Geysire können eine beeindruckende Touristenattraktion sein. Der Geysir „Old Faithful“ im Yellowstone National Park ist ein geothermisches Wunder, das alle 60 bis 90 Minuten ausbricht und jedes Jahr von etwa 4 Millionen Menschen besucht wird.
Die Zukunft der geothermischen Energie
Fracking für geothermische Energie
In der Öl- und Gasindustrie ist Fracking eine gängige Methode zur Steigerung der Produktion. Beim Fracking wird eine Hochdruckflüssigkeit in Gesteinsformationen eingespritzt, um diese aufzubrechen und durchlässig zu machen. Fracking zur Gewinnung von geothermischer Energie verfolgt einen ähnlichen Ansatz und wird auch als „Enhanced Geothermal Systems“ (ESG) bezeichnet. Obwohl es sich um ein ähnliches Verfahren wie das Fracking in der Erdgasindustrie handelt, gibt es einige wichtige Unterschiede. Beim geothermischen Fracking werden kleinere, kontrolliertere Risse erzeugt und eine Flüssigkeit verwendet, die viel weniger Schadstoffe verursacht.
ESG erzeugt Dampf, indem es Energie aus Gesteinen gewinnt, die heiß genug, aber zu trocken sind, um selbst Dampf zu erzeugen. Die Entwickler bohren „Injektionsbohrungen“ vertikal bis in eine Tiefe von etwa 0,6 bis 2,8 Meilen in die Erde, um die heißen, trockenen Gesteinsvorkommen zu erreichen. Dann setzen sie Hochdruckwasser oder Sprengstoff ein, um das Gestein aufzubrechen und das geothermische Flüssigkeitsreservoir zu schaffen. Eine Förderbohrung pumpt das heiße Wasser zurück an die Erdoberfläche, wo es, ähnlich wie bei binären Geothermiekraftwerken, eine sekundäre Flüssigkeit erwärmt, die sich zu Dampf aufheizt. Das Geothermiekraftwerk nutzt den Dampf, um die Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben.
Hindernisse für das Wachstum der geothermischen Energie
- Mangel an natürlichen geothermischen Ressourcen. Wie bereits zu Beginn dieses Artikels erwähnt, ist die Verfügbarkeit geothermischer Ressourcen auf Orte in der Nähe der Grenzen der tektonischen Platten beschränkt. Die meisten Länder, die Zugang zu geothermischer Energie haben, nutzen die Ressource bereits in gewissem Umfang.
- Explorationskosten und Risiken für Geothermiekraftwerke. Die Durchführung eines ersten Explorations- und Bohrprogramms mit drei bis fünf geothermischen Bohrungen kostet zwischen 20 und 30 Millionen USD. Dies und das Risiko einer erfolglosen Erkundung sind Hindernisse, die einer verstärkten Nutzung der geothermischen Energie weltweit im Wege stehen.
- Kosten und Risiken von Enhanced Geothermal System-Anlagen. Obwohl ESG das Potenzial hat, die Verfügbarkeit geothermischer Ressourcen zu erweitern, ist das Bohren von geothermischen Brunnen im Vergleich zu Bohrungen nach Öl oder Gas sehr kostspielig. Ein weiteres Hindernis ist, dass ESG-Bohrungen wie die traditionellen Fracking-Methoden Erdbeben verursacht haben. Insbesondere wenn das Fracking in der Nähe einer bereits bestehenden Verwerfung stattfindet, besteht die Gefahr größerer Erdbeben, die stark genug sein könnten, um Gebäude in der Nähe zu beschädigen.
- Hohe Anschaffungskosten für geothermische Heiz- und Kühlsysteme. Erdwärmepumpen kosten zwischen 3.500 USD und 7.500 USD für ein Basisgerät, und teurere Modelle mit Optionen wie Warmwasserheizung kosten sogar noch mehr. Außerdem können die Aushub- und Installationskosten den Preis auf 12.000 USD bis 15.000 USD erhöhen. Einige Länder bieten jedoch Rabatte oder Steuergutschriften an, um einen Teil dieser Kosten auszugleichen. Diese Systeme erzielen schließlich eine Rendite, da sie sehr energieeffizient sind. Wer in geothermale Heiz- und Kühlsysteme investiert, kann damit rechnen, zwischen 30 und 70 Prozent seiner jährlichen Stromrechnungen einzusparen.
Wie wirkt sich die geothermale Energieversorgung auf die Umwelt aus?
Als saubere und erneuerbare Ressource wird die geothermale Energie zunehmend als Alternative zu fossilen Brennstoffen betrachtet. Die geothermische Energie wirkt sich jedoch auf verschiedene Weise auf die Umwelt aus. Insgesamt überwiegen die positiven Auswirkungen der geothermischen Energie die negativen.
Negative Auswirkungen
-
Wasserverbrauch
Geothermiekraftwerke verbrauchen viel Wasser zur Kühlung und zum Auffüllen der geothermischen Reservoirs. Von allen Kraftwerken für erneuerbare und nicht-erneuerbare Energie haben Geothermiekraftwerke den zweitgrößten Wasserverbrauch. -
Luftemissionen
Geothermiekraftwerke mit offenem Kreislauf setzen Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak, Methan und Bor in die Atmosphäre frei. Die meisten Geothermiekraftwerke sind jedoch geschlossene Kreislaufsysteme, bei denen die von der Rückseite abgezogenen Gase mit minimalen Luftemissionen in die Erde eingeleitet werden. -
Absenkung
Wenn Geothermiekraftwerke heißes Wasser aus den Tiefen der Erde gewinnen, hinterlassen sie leere Taschen, die im Laufe der Zeit absinken können, wenn sie nicht wieder aufgefüllt werden. An der Oberfläche kann sich dies sowohl auf die Umwelt als auch auf Gebäude auswirken. -
ESG-Fracking
ESG-Fracking kann Erdbeben auslösen, was ein Hindernis für die Einführung von Anlagen in der Nähe von städtischen Gebieten, Unternehmen und Häusern darstellt. Darüber hinaus glauben viele Menschen, dass ESG-Fracking das Potenzial hat, ähnliche negative Auswirkungen wie Gas-Fracking zu verursachen, wie z. B. Lecks, Leckagen sowie Boden- und Grundwasserkontamination.
Positive Auswirkungen
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Geringe CO2-Emissionen
Im Vergleich zu den meisten anderen Energiequellen ist die geothermische Energie umweltfreundlich. Ein durchschnittliches Geothermiekraftwerk setzt ein Achtel der CO2-Emissionen frei, die ein durchschnittliches Kohlekraftwerk verursacht. -
Reduziert die Abhängigkeit von alternativen Energien
Geothermische Energie hat das Potenzial, eine stetige, zuverlässige Stromquelle zu bieten, die den USA und anderen Ländern helfen kann, sich von ihrer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und anderen thermischen Energien wie Propan, Erdgas und Öl zu lösen. Außerdem benötigen Geothermiekraftwerke keine fossilen Brennstoffe für ihren Betrieb. -
Verbessert die CO2-Bilanz
Geothermisches Heizen und Kühlen ist äußerst energieeffizient. Es ist eine effektive Möglichkeit für die Menschen, die CO2-Bilanz ihrer Häuser und Gebäude zu verbessern. Geothermales Heizen und Kühlen kann zum Beispiel die Treibhausgasemissionen eines Hauses um bis zu 75 Prozent reduzieren. -
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Häufig gestellte Fragen
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Geothermische Energie gilt als eine der nachhaltigsten und effizientesten Energieformen und ist eine saubere, zuverlässige und erneuerbare Ressource. Sie nutzt die in der Erdoberfläche gespeicherte Wärme, um Elektrizität zu generieren und geothermische Wärme und Kälte bereitzustellen.
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Geothermische Energie bietet drei Hauptvorteile:
- Sie ist umweltfreundlich.
- Sie ist erneuerbar.
- Sie ist zuverlässig und konstant.
Diese saubere, erneuerbare Energiequelle kann dazu beitragen, die Abhängigkeit der Welt von fossilen Brennstoffen zu verringern.
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Im Vergleich zu anderen Energiequellen hat die geothermische Energie drei Nachteile:
- Sie führt dazu, dass Treibhausgase unterhalb der Erdoberfläche in die Atmosphäre entweichen und kann die Stabilität des Bodens beeinträchtigen.
- Geothermische Reservoirs müssen verwaltet werden, um sicherzustellen, dass sie nicht erschöpft werden.
- Geothermiekraftwerke können nur in Gebieten in der Nähe der Grenzen der tektonischen Platten gebaut werden, wo geothermische Reservoirs vorhanden sind.
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Geothermische Energie wird genutzt, um Häuser zu wärmen und zu kühlen, Gewächshäuser zu beheizen, industrielle Prozesse zu unterstützen und Strom zu erzeugen.
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Die vier Arten der geothermischen Energie sind:
- Niedertemperatur-Geothermie.
- Co-erzeugte Geothermie.
- Geothermisches Heizen und Kühlen.
- Geothermiekraftwerk.
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