In drei Kilometer Tiefe ist es bereits hundert Grad heiß Erdwärme-Bohrungen nutzen die günstigsten Stellen

Daß es im Innern der Erde ziemlich heiß sein muß, weiß man schon lange. Beispielsweise merkten es die Bergleute, wenn sie in die Tiefe fuhren und es dort zunehmend wärmer statt kälter wurde. Ein weiterer Hinweis auf unterirdische Hitze waren Vulkanausbrüche oder heiße Quellen. Schon die alten Römer nutzten natürliche Warmwasservorkommen zur Errichtung von Bädern, die sie als "thermae" bezeichneten (von griechisch thermos = warm). Diese römischen Thermen waren sozusagen die ersten geothermischen Anlagen.

Heute nehmen die Wissenschaftler an, daß in der Erdmitte eine Temperatur von rund 5000 Grad Celsius herrscht. Manche halten auch das doppelte für möglich. Genaues weiß man nicht, denn bis zum Erdmittelpunkt in einer Tiefe von 6370 Kilometer ist noch niemand vorgestoßen. Die tiefsten Bohrungen erreichten bisher gerade mal zwölf Kilometer und haben damit die Erdkruste allenfalls angekratzt.

Immerhin weiß man inzwischen, daß die Temperatur in solchen Bohrlöchern um etwa drei Grad Celsius pro hundert Meter ansteigt. In der Regel wird man deshalb in einer Tiefe von einem Kilometer mit Temperaturen zwischen 30 und 60 Grad rechnen dürfen. In drei Kilometer Tiefe sind es schon 80 bis 120 Grad, und in fünf Kilometer Tiefe 130 bis 160 Grad.

Der größte Teil der Erdwärme entsteht durch radioaktiven Zerfall

Es läge nahe, diese Zunahme der Temperatur allein mit der Annäherung an den flüssig-heißen Erdkern erklären zu wollen. Hauptursache der Wärme ist aber der Zerfall der radioaktiven Elemente Uran und Thorium im Gesteinsmantel der Erdkruste. Diese radioaktiv erzeugte Wärme stellt auch etwa zwei Drittel des Wärmeflusses, der aus dem Innern an die Oberfläche der Erde strömt und dort pro Quadratmeter etwa 0,06 Watt beträgt.

Oberflächennahe "Erwärme" ist gespeicherte Sonnenenergie

Gegenüber der Sonneneinstrahlung von durchschnittlich 250 Watt pro Quadratmeter beträgt der gesamte Wärmefluß, der vom Innern der Erde zur Oberfläche strömt und dort abgestrahlt wird, nur den Bruchteil eines Promilles. Die Sonneneinstrahlung ist deshalb auch entscheidend für die Temperaturen direkt unter der Erdoberfläche. Sie sorgt beispielsweise dafür, daß Grundwasser über das ganze Jahr eine konstante Temperatur von 7 bis 12 Grad Celsius aufweist. Genau genommen handelt es sich bei dem Temperaturniveau, das man auf den ersten paar Metern unter der Erdoberfläche vorfindet und mit Hilfe von Wärmepumpen nutzen kann, nicht um "Erdwärme", sondern um gespeicherte Sonnenenergie.

Drei Möglichkeiten zur Nutzung der Erdwärme

Die eigentliche Geothermie nutzt dagegen jene Temperaturen, die vom radioaktiven Zerfall im Gestein und vom flüssig-heißen Erdkern herrühren. Sie muß deshalb wesentlich mehr in die Tiefe gehen: Nach der bereits erwähnten Faustregel beispielsweise auf drei Kilometer, um auf Temperaturen im Bereich von 100 Grad Celsius zu stoßen. Für Heizzwecke würde das reichen. Um aber mit einer Dampfturbine einen Generator anzutreiben und Strom zu erzeugen, müßte das Bohrloch doppelt so tief sein. Solche Tiefbohrungen sind sehr teuer. Außerdem nehmen mit der Länge des Bohrgestänges die technischen Probleme zu. Man bohrt deshalb nur dort nach Erdwärme, wo aufgrund von geologischen Besonderheiten bereits in geringeren Tiefen mit ergiebigen Temperaturen zu rechnen ist.
 

Im wesentlichen gibt es die folgenden drei Möglichkeiten, Erdwärme zu nutzen:

• Am einfachsten und billigsten ist die Nutzung natürlicher Heißdampf- und Heißwasserquellen. Zur Versorgung eines Thermalbads oder von Gewächshäusern können schon 30 Grad Celsius reichen. Zur Versorgung von Gebäuden mit Heizung und Warmwasser sollten es schon etliche Grade mehr sein. Mit Heißdampf ab etwa 180 Grad können sogar Dampfturbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden. In Italien (siehe Larderello) wird auf diese Weise schon seit über hundert Jahren Strom erzeugt. In Deutschland gibt es solche Heißdampf-Vorkommen aber nicht.
• Aufwendiger ist die künstliche Erschließung von Aquiferen, das heißt von Gesteinsschichten, die heißes Wasser führen. In der Regel braucht man mindestens zwei Tiefbohrungen und beträchtlichen Pumpaufwand, um das Wasser durch die beiden Bohrlöcher zirkulieren zu lassen. Diese Bohrungen sind nicht nur sehr teuer, sondern auch in hohem Grade mit dem Risiko einer Fehlbohrung oder zu geringen Wasserführung belastet. In Deutschland lassen sich an etlichen Stellen solche "Aquifere" mit Thermalwasser erschließen. Sie liefern aber keinen Heißdampf, mit dem man auf die übliche Weise Strom erzeugen könnte. Ersatzweise müssen "binäre" Verfahren zur Stromerzeugung verwendet werden, wobei der Wirkungsgrad relativ gering ist.
• Das Risiko von Fehlbohrungen läßt sich minimieren und die Zahl der möglichen Standorte für eine geothermische Anlage erheblich erweitern, wenn der Wasserkreislauf durch die Bohrlöcher auf künstliche Weise hergestellt wird. Bei diesem "Hot-Dry-Rock"-Verfahren muß allerdings zuerst das heiße Gestein zwischen den beiden Bohrungen wasserdurchlässig gemacht werden, so daß es als Wärmetauscher fungieren kann. Dieses Verfahren ist noch aufwendiger als die künstliche Erschließung natürlicher Heißwasservorkommen. Auch damit werden sich in Deutschland kaum normale Dampfkraftwerke betreiben lassen.

Salzhaltiges Wassers erfordert geschlossene Kreisläufe

Bei allen hier skizzierten Verfahren ist das heiße Wasser aus der Tiefe in der Regel stark mit Salzen belastet. Es muß deshalb in einem geschlossenen Kreislauf durch einen Wärmetauscher zirkulieren und in den Untergrund zurückgeleitet werden, um die geothermischen Anlagen vor Korrosion und Ablagerungen zu schützen bzw. um Umweltbelastungen zu vermeiden (Man spricht in diesem Fall von einer "Dublette"). Eine Ausnahme bildet die Verwendung für Heilbäder, bei denen der Salzgehalt willkommen sein kann. Eine weitere Ausnahme sind manche Aquifere mit Süßwasser, das nach der thermischen Nutzung sogar als Trinkwasser dienen kann.