Geothermie: Die Erneuerbare, die das Wetter nicht kümmert
Geothermie ist die Erneuerbare, die sich wie ein konventionelles Kraftwerk verhält. Ihr Kapazitätsfaktor reicht an Kernkraft heran, sie braucht wenig Fläche, und sie läuft nachts im Winter. Sie ist zugleich diejenige, die am engsten davon abhängt, wo man gerade steht - weshalb sie in Island und Kenia einen großen Teil des Stroms liefert und fast nirgends sonst.
Woher die Wärme kommt
Das Erdinnere ist aus zwei Gründen heiß, und die Aufteilung zwischen beiden wurde erst kürzlich geklärt. Etwa die Hälfte der durch die Kruste nach außen strömenden Wärme ist Urwärme: Energie, die frei wurde, als der Planet vor viereinhalb Milliarden Jahren entstand und sich schichtete, und die sich noch immer nach außen arbeitet, weil Gestein Wärme schlecht leitet.
Die andere Hälfte ist radiogen. Uran-238, Thorium-232 und Kalium-40 sind über Mantel und Kruste verteilt und zerfallen fortwährend, wobei sie Wärme freisetzen. Die Anteile waren lange unsicher, bis Detektoren begannen, Geoneutrinos zu messen - Antineutrinos aus diesen Zerfällen, die den Planeten geradewegs durchqueren und an der Oberfläche gezählt werden können. Borexino und KamLAND lieferten die ersten Direktmessungen der radiogenen Wärmeproduktion, ein seltener Fall, in dem Teilchenphysik eine geologische Frage entscheidet.
Der gesamte Wärmestrom beträgt rund 47 Terawatt, was gewaltig klingt und diffus ist: über den Planeten gemittelt sind es etwa 90 Milliwatt je Quadratmeter, tausendfach schwächer als Sonnenlicht. Geothermie besteht deshalb nie darin, den Durchschnittsstrom abzufangen, sondern darin, die Orte zu finden, an denen die Geologie ihn bündelt.
Die Temperatur steigt in gewöhnlicher Kruste um etwa 25 bis 30 Grad je Kilometer Tiefe. In Vulkangebieten, Grabenbrüchen und an Plattengrenzen kann sie 100 Grad je Kilometer überschreiten, womit nutzbare Temperaturen in Bohrreichweite rücken. Deshalb folgt die Landkarte der Geothermie der Landkarte der Plattentektonik.
Zwei Techniken, ein Name
Eine Erdwärmepumpe hat mit einem Geothermiekraftwerk außer dem Wort fast nichts gemeinsam. Sie führt eine Flüssigkeit durch Rohre wenige Meter unter der Oberfläche, wo der Boden ganzjährig nahe der örtlichen Jahresmitteltemperatur bleibt - kühler als Sommerluft, weit wärmer als Winterluft. Eine Wärmepumpe schiebt diese Wärme dann ins Gebäude und liefert drei bis fünf Einheiten Wärme je Einheit verbrauchten Stroms.
Das ist keine Erzeugung, sondern effizienter Wärmetransport, und es funktioniert im Grunde überall, wo Boden ist. Es ist zugleich die überwältigende Mehrheit dessen, was der Anzahl nach Geothermie heißt, und der Teil des Felds mit der breitesten Anwendung.
Stromerzeugung ist ein anderes Problem. Sie braucht Fluid, das heiß genug ist, eine Turbine zu treiben, praktisch also 150 Grad oder mehr, und dieses Fluid muss in durchlässigem Gestein vorliegen, das es in kommerziellen Mengen hergibt. Wo die Natur beides bietet - Island, Neuseeland, Kenias Grabenbruch, das kalifornische Geysers-Feld, Indonesien, die Philippinen -, laufen Anlagen seit Jahrzehnten.
Drei Bauarten decken das Spektrum ab. Trockendampfanlagen, die älteste Bauform, nehmen Dampf unmittelbar aus dem Boden. Entspannungsanlagen nehmen heißes Druckwasser und lassen es sieden, wenn der Druck fällt. Anlagen mit Zweikreislauf, heute der häufigste Neubau, führen Thermalwasser durch einen Wärmetauscher und verdampfen damit ein Arbeitsmittel mit niedrigerem Siedepunkt, wodurch sie schon mit 100 Grad arbeiten und das Thermalwasser in einem geschlossenen Kreis halten können.
Der Zuverlässigkeitsvorteil
Der betriebliche Fall für Geothermie hängt an einer einzigen Zahl. Kapazitätsfaktoren von 80 bis 90 Prozent stellen sie neben die Kernspaltung und weit über Wind mit 35 bis 50 Prozent oder Photovoltaik mit 25 bis 35. Die Wärme hört nachts nicht auf, im Winter nicht und auch nicht in einer windstillen Woche.
Diese Eigenschaft ist im Netz mehr wert, als die reinen Energiemengen vermuten lassen. Eine Quelle, die unabhängig vom Wetter läuft, senkt den Bedarf des restlichen Systems an Speicher und Reserve, und sie tut das durchgehend statt nach einem Plan, den jemand prognostizieren muss. Das ist dasselbe strukturelle Argument, das das Interesse an jeder durchgehend verfügbaren Energiequelle trägt, und deshalb wird Geothermie oft als Ergänzung zu Sonne und Wind beschrieben statt als Konkurrenz.
Der Flächenbedarf ist der zweite Vorteil. Ein Geothermiekraftwerk belegt je Megawatt wenig Grund, im Wesentlichen Bohrlochköpfe und ein Maschinenhaus, und die Bohrungen lassen sich von einem einzigen Bohrplatz aus richtungsgesteuert niederbringen.
Die Ressource ist nicht unerschöpflich in der Weise, in der es Sonnenlicht ist. Wärme schneller zu entnehmen, als sie nachströmt, kühlt eine Lagerstätte über Jahrzehnte aus, und mehrere Felder, darunter The Geysers, sahen den Ertrag sinken und brauchten Wasserrückführung zur Erholung. Richtig bewirtschaftet ist die Ressource über die Lebensdauer einer Anlage erneuerbar; achtlos bewirtschaftet wird sie abgebaut.
Verbesserte Systeme und was sich ändern würde
Die Beschränkung konventioneller Geothermie ist nicht die Wärme. Heißes Gestein liegt überall unter uns; was an den meisten Orten fehlt, sind Wasser und Durchlässigkeit. Verbesserte geothermische Systeme wollen beides liefern: in heißes trockenes Gestein bohren, es aufbrechen, um Wege zu schaffen, an einer Bohrung Wasser einpressen und an einer anderen Dampf gewinnen.
Gelingt das zuverlässig, entfällt die geografische Beschränkung vollständig, weshalb das Interesse stark gestiegen ist. Frühe Projekte stießen auf Schwierigkeiten - induzierte Seismizität führte 2006 zur Einstellung eines Projekts in Basel und trug zu einer in Pohang in Südkorea bei -, und dieses Risiko zu beherrschen steht heute im Mittelpunkt des Fachs. Jüngere Arbeiten in Nevada haben kommerzielle Förderraten in einer Horizontalbohrung gezeigt, einer aus der Öl- und Gasindustrie übernommenen Anordnung, und aus demselben Grund sind die Bohrkosten gefallen.
Eine verwandte Forschungslinie zielt auf überkritische Bedingungen. Wasser oberhalb von etwa 374 Grad und 22 Megapascal geht in einen Zustand über, der weder flüssig noch gasförmig ist und je Masseeinheit weit mehr Energie trägt. Das Iceland Deep Drilling Project hat solche Bedingungen in vulkanischer Umgebung erreicht; eine einzige überkritische Bohrung könnte im Grundsatz das Zehnfache einer konventionellen leisten, wobei die Werkstoff- und Korrosionsprobleme schwer wiegen.
Geothermie liefert heute einen kleinen Teil des Weltstroms und in einer Handvoll Länder einen lokal entscheidenden. Ob sie eine globale statt einer regionalen Technik wird, hängt fast vollständig davon ab, ob sich verbesserte Systeme zur Routine machen lassen.
Häufige Fragen
Ist Geothermie wirklich erneuerbar?
Auf menschlichen Zeitskalen ja, sofern die Entnahme bewirtschaftet wird. Der Wärmestrom der Erde fließt durchgehend und die Lagerstätte füllt sich nach, aber schneller Wärme zu entnehmen, als sie ankommt, kühlt ein Feld über Jahrzehnte aus - The Geysers in Kalifornien erlebte genau das, bevor Wasserrückführung den Ertrag wiederherstellte. Richtig bewirtschaftet ist sie erneuerbar, übernutzt verhält sie sich wie eine abgebaute Ressource.
Lässt sich Geothermie überall nutzen?
Erdwärmepumpen funktionieren nahezu überall, weil sie die stabile Temperatur wenige Meter unter der Oberfläche nutzen und nicht die Tiefenwärme. Stromerzeugung braucht heißes durchlässiges Gestein in Bohrreichweite, was sie auf vulkanische und tektonisch aktive Regionen beschränkt. Verbesserte Systeme wollen diese Beschränkung aufheben.
Wie viel Erdwärme stammt aus Radioaktivität?
Etwa die Hälfte der 47 Terawatt, die durch die Kruste nach außen strömen; der Rest ist Urwärme aus der Entstehung des Planeten. Der Anteil war jahrzehntelang unsicher, bis Geoneutrino-Detektoren die radiogene Wärme direkt maßen - einer der wenigen Fälle, in denen Teilchenphysik eine geologische Frage beantwortet hat.
Warum ist der Kapazitätsfaktor so hoch?
Weil die Ressource durchgehend fließt. Die Wärme im Untergrund ändert sich nicht mit Tageszeit, Jahreszeit oder Wetter, also läuft eine Anlage, wann immer sie nicht gewartet wird. Kapazitätsfaktoren von 80 bis 90 Prozent sind typisch, vergleichbar mit Kernkraft und zwei- bis dreimal so hoch wie bei Wind und Sonne.
Verursacht Geothermie Erdbeben?
Konventionelle Anlagen auf vorhandenen Lagerstätten lösen selten spürbare Seismizität aus. Verbesserte Systeme, die Gestein aufbrechen, um Durchlässigkeit zu schaffen, haben spürbare Beben ausgelöst - ein Projekt in Basel wurde 2006 deshalb eingestellt. Induzierte Seismizität über Injektionssteuerung und Standortwahl zu beherrschen ist heute ein zentraler Teil dieser Technik.
