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Tiefe Geothermie

Wird geothermische Energie aus grösseren Tiefen erschlossen, so spricht man von tiefer Geothermie. Stimmen die geologischen Rahmenbedingungen oder liegen geothermische Anomalien (meist in Gebieten vulkanischer Aktivität) vor, dann kann Warm- oder Heisswasser, Dampf/Wasser-Gemische oder trockener, überhitzter Dampf in einigen hundert bis in mehreren tausend Metern Tiefe erschlossen werden.

Bohrturm zur Erschliessung hydrothermaler Wässer (Olkaria, zentraler Bereich des Rift Valley, Kenia). Die Bohranlagen für Projekte der tiefen Geothermie sind von ihrer Dimension her mit Bohrtürmen der Erdölexploration vergleichbar.
Bohrturm zur Erschliessung hydrothermaler Wässer (Olkaria, zentraler Bereich des Rift Valley, Kenia). Die Bohranlagen für Projekte der tiefen Geothermie sind von ihrer Dimension her mit Bohrtürmen der Erdölexploration vergleichbar.

Hydrothermale Systeme

Die bislang bekannteste Anwendung warmer, teilweise mineralreicher Tiefenwässer findet in der Nutzung für Thermal- und Heilbäder statt. Hier werden normalerweise nur ein oder mehrere Förderbrunnen benötigt. Ab ca. 80 °C ist eine Verstromung mit zusätzlichen Technologien, wie einer ORC-Anlage (Organic Rankie Cycle) oder einer Kalina-Anlage zwar möglich, jedoch wird es derzeit erst ab 120 °C wirtschaftlich. Allerdings verursachen beide Verfahren, bei denen niedrig siedende Wärmeträgermedien (z. B. Fluide auf Propan- oder Butan-Basis bzw. Wasser / Ammoniak-Gemische) zum Einsatz kommen, deutlich höhere Investitionskosten.

Zur Charakterisierung von potenziellen Standorten etwaiger geothermischer Kraftwerke sind umfassende geologische Kenntnisse über den tieferen Untergrund bis in mehrere 1'000 Meter notwendig. Im Vorfeld wird hierfür eine geowissenschaftliche Machbarkeitsstudie mit Erkundungsbohrungen, einer seismischen Kampagne bzw. einer Evaluation von allen verfügbaren, potenziell relevanten Daten erstellt. Einige der wichtigsten Parameter sind: die Schichtenabfolge, die Lage von Störungen, die Lage und Mächtigkeit der grundwasserführenden Horizonte, die hydrochemischen Eigenschaften von tiefen Wässern (sofern vorhanden) oder die thermischen, physikalischen und hydraulischen Eigenschaften der durchbohrten und als Wärmereservoir genutzten Gesteine.

Olkaria II (Rift Valley, Kenia) ist Afrikas grösstes geothermisches Kraftwerk. Das Olkaria Geothermiefeld mit mehreren Kraftwerken ist nur eines von mehreren Feldern im Bereich des Rift Valley Grabenstruktur. In Olkaria II wird hydrothermale Energie zur Stromerzeugung genutzt. Erste Erkundungsbohrungen wurden bereits 1956 abgeteuft. Seither sind eine ganze Reihe weiterer Erschliessungsbohrungen hinzu gekommen. Alleine Olkaria II hat eine Kapazität von 64 MW.
Olkaria II (Rift Valley, Kenia) ist Afrikas grösstes geothermisches Kraftwerk. Das Olkaria-Geothermiefeld mit mehreren Kraftwerken ist nur eines von mehreren Feldern im Bereich der Rift Valley Grabenstruktur. In Olkaria II wird hydrothermale Energie zur Stromerzeugung genutzt. Erste Erkundungsbohrungen wurden bereits 1956 abgeteuft. Seither sind eine ganze Reihe weiterer Erschliessungsbohrungen hinzugekommen. Alleine Olkaria II hat eine Kapazität von 64 MW.

Fällt die Entscheidung für die Erschliessung einer tiefliegenden hydrothermalen Lagerstätte, so wird das heisse Wasser über eine Förderbohrung erschlossen, aus den wasserführenden Gesteinsschichten gefördert und über einen Wärmetauscher diesem die Wärme entzogen. Das abgekühlte Wasser wird über eine Injektionsbohrung nach Möglichkeit demselben Aquifer zurück gegeben. Diese Art der thermalen Energiegewinnung wird als hydrogeothermische Dublette bezeichnet.

Geothermisches Kraftwerk in Island. In Sachen Erdwärmenutzung ist Island heute Weltspitze, gleichzeitig ist die geothermale Energie Islands wichtigste Energiequelle.
Geothermisches Kraftwerk in Island. In Sachen Erdwärmenutzung ist Island heute Weltspitze, gleichzeitig ist die geothermale Energie Islands wichtigste Energiequelle.

Petrothermale Systeme

Petrothermale Syseme wie das Hot-Dry-Rock Verfahren (HDR, auch: "Hot Fractured Rock" (HFR) oder Enhanced Geothermal System (EGS) und andere synonyme Begriffe) kommt zur Anwendung, wenn kein natürliches Thermalwasser vorkommt, sondern ausschliesslich trockene, bis 200 °C heisse Gesteine vorhanden sind. Dies trifft für die meisten Gebiete (einschliesslich der Schweiz) zu. Beim HDR-Verfahren handelt sich um eine relativ neue Technik der geothermischen Energiegewinnung. Auch hier werden mindestens zwei Bohrungen benötigt. Bei bis zu mehreren hundert Bar werden durch Wasserinjektionen im Gebirgsuntergrund vorhandene Klüfte hydraulisch aufgeweitet bzw. neue geschaffen. Im Idealfall wird die energetisch reaktive Gesteinsoberfläche um Grössenordnungen erweitert und so ein effizienter Austausch zwischen Wärmeträgermedium und heisser Gesteinsoberfläche ermöglicht - ein geologischer Wärmetauscher ist entstanden.

In Europa wurde das erste erfolgreiche Tiefengeothermieprojekt nach dem HDR-Verfahren in Soultz-sous-Forêts (Frankreich) Ende der 90er Jahre erfolgreich getestet. Im Juli 2008 wurde es offiziell in Betrieb genommen und liefert seither 13'000 MWh Strom pro Jahr. Der produzierte Strom deckt den Verbrauch von etwa 1'500 Haushalten ab. Gegenwärtig sind viele weitere Projekte in der Entwicklungsphase.

In neuerer Zeit kommen zunehmend tiefe Erdwärmesonden (U-Rohr und koaxialer Bautyp) bis über 2'000 m zum Einsatz. Hier erfolgt die Energienutzung aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf in der Sonde. Wegen der höheren Betriebstemperaturen und den energetisch günstigeren Eigenschaften kommt in tiefen Erdwärmesonden meist reines Wasser als Wärmeträgermedium zum Einsatz. Ansonsten ist die Technik mit der aus der oberflächennahen Geothermie vergleichbar.

Ein weiterer Bereich der tiefen Geothermie ist die energetische Nutzung von Wärmeenergie aus Bergwerken oder Kavernen (z. B. aus dem Salzbergbau).

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