Online-Serie erneuerbare Energien 2019, Teil 6 30.10.2020, 12:00 Uhr

Geothermie: Energie aus den Tiefen der Erde

Egal ob oberflächennah gewonnen oder aus großer Tiefen: Wärme aus dem Boden wird bereits vielfältig genutzt.

Rohre eines Geothermie-Kraftwerks. Bild: PantherMedia / dnaumoid

Rohre eines Geothermie-Kraftwerks. Bild: PantherMedia / dnaumoid

6 Geothermie

Energie aus Geothermie kann für eine ausschließliche Wärme­bereitstellung und für eine Strom- beziehungsweise kombinierte Strom- und Wärmebereitstellung genutzt werden. Die entsprechenden Optionen werden im Folgenden diskutiert.

6.1 Wärmeerzeugung

Je nach den geologischen Gegebenheiten und den einsetzbaren Technologien kann für eine geothermische Wärmebereitstellung der oberflächennahe und der tiefe Untergrund genutzt werden. Beide Optionen werden nachfolgend dargestellt.

In allen weltweit betriebenen geothermischen Anlagen zur ausschließlichen Wärmebereitstellung (das heißt oberflächennahe und tiefe Geothermie) waren Ende 2019 rund 107,7 GW an thermischer Leistung installiert. Mit diesen Anlagen wurden rund 1 020 PJ / 283,3 TWh (2019) an Nutzwärme bereitgestellt [22]. Die weltweit größten Märkte für Nutzwärme aus oberflächennaher Erdwärme sind China, USA, Schweden, Deutschland sowie die Türkei. Die größten Märkte für geothermisch bereitgestellte Wärme aus tiefer Geothermie sind China, die Türkei, Japan und Island [23]. Wegen mangelhafter statistischer Erfassung sind derartige Angaben aber sehr unsicher beziehungsweise nur für ausgewählte Jahre verfügbar.

6.1.1 Oberflächennahe Geothermie

Anlagen zur Nutzung oberflächennaher Geothermie beheizen fast ausschließlich Ein- und Mehrfamilienhäuser und nur eingeschränkt auch kleinere Gewerbeeinheiten. Die dabei genutzten geothermischen Reservoire befinden sich maximal wenige hundert Meter unter der Erdoberfläche.

Welt. Ende 2019 wurden weltweit geschätzte 6,5 Millionen erdgekoppelte Wärmepumpen (Standardvergleichsgröße von 12 kW) mit einer thermischen Leistung von rund 77,5 GW genutzt. Die entsprechende Nutzwärmebereitstellung lag bei rund 600 PJ / 166,7 TWh (2019) (für 2018 berechnet: 71,8 GW, 534 PJ / 148,3 TWh). Die meisten Anlagen befinden sich in China, den USA, Schweden, Deutschland und Finnland [22; 24].

Wegen der unterschiedlichen Betriebsweisen von Wärmepumpenanlagen ist in den USA eine höhere thermische Leistung im Vergleich zu Europa installiert; trotzdem wird dort weniger Nutzwärme bereitgestellt. Diese Unterschiede resultieren aus der Art der bereitgestellten Energie. So werden in großen Teilen der USA Wärmepumpen zur Kühlung eingesetzt; die Wärmebereitstellung hat hier nur eine untergeordnete Bedeutung. Die entsprechenden Wärmepumpenanlagen sind dann für eine Wärmebereitstellung deutlich überdimensioniert; dies führt zu geringeren Volllaststunden (USA: 2 000 h/a; Kapazitätsfaktor 0,23). In Europa werden aber erdgekoppelte Wärmepumpen primär zur Deckung der Wärmegrundlast ausgelegt; die Aggregate erreichen deshalb oft höhere Volllaststunden im Vergleich zu den USA (Europa: 3 000 h/a, Kapazitätsfaktor 0,34) [1; 22].

Die Technologie der erdgekoppelten Wärmepumpensysteme für eine Wärme- und gegebenenfalls Kältebereitstellung ist weitgehend ausgereift. Damit wird eine Marktausweitung primär durch die damit verbundenen Kosten im Vergleich zu den entsprechenden Alternativen determiniert. Damit dürfte dort, wo Strompreise und damit die Betriebskosten tendenziell hoch sind, die Absatzzahlen nur begrenzt steigen; auch benötigen derartige Systeme mit dem Ziel eines hocheffizienten Betriebs eine Niedertemperaturheizung (zum Beispiel Fußbodenheizung), die insbesondere in Bestandsbauten nicht immer vorhanden ist. Demgegenüber werden dort, wo Wärmepumpensysteme mit Photovoltaik kombiniert werden können / dürfen, die Absatzzahlen insbesondere im Neubaubereich tendenziell stark steigen, da dies häufig die kostengünstigste Option darstellt und es zudem ermöglicht, mit einem System zu Heizen und zu Kühlen [1; 22; 23].

Mit einer unterstellten durchschnittlichen Ausbaurate – in Anlehnung der Entwicklung der vergangenen Jahre – von 6 bis 8 %/a könnten bis 2025 eine installierte thermische Leistung erdgekoppelter Wärmepumpensysteme von 115 bis 125 GW erreicht werden; dies entspricht einer Wärmebereitstellung von rund 1 088 bis 1 375 PJ beziehungsweise 302,2 bis 381,9 TWh (2025). Bis 2030 ist mit einer installierten thermischen Leistung im dann vorhandenen Anlagenbestand von rund 150 bis 170 GW auszugehen (1 420 bis 1 870 PJ beziehungsweise 394 bis 519,4 TWh (2030)).

EU. In der EU lag Ende 2019 die thermische Leistung aller installierten erdgekoppelten Wärmepumpen bei schätzungsweise bei rund 19 GW (für 2018 berechnet: 18,3 GW); mit diesem Anlagenpark wurden schätzungsweise rund 146 PJ beziehungsweise 40,6 TWh (2019) an Nutzwärme bereitgestellt (für 2018 berechnet: 140 PJ beziehungsweise 38,9 TWh). In der EU sind die größten Wärmepumpenmärkte Schweden, Deutschland und Finnland [1; 22].

Wird für die EU eine durchschnittliche Ausbaurate von 4 %/a unterstellt, könnte 2025 die installierte thermische Leistung bei 22 bis 26 GW liegen (169 bis 200 PJ beziehungsweise 46,9 bis 55,6 TWh (2025)). Bis Ende 2030 sind dann rund 26 bis 32 GW beziehungsweise 200 bis 246 PJ beziehungsweise 55,6 bis 68,3 TWh (2030) zu erwarten.

6.1.2 Tiefe Geothermie

Die bei der tiefen Geothermie genutzten Reservoire befinden sich im Vergleich zur oberflächennahen Geothermie in deutlich tieferen Erdschichten (> 400 m). Aus deren Nutzung resultieren in der Regel und je nach geologischen Gegebenheiten – im Vergleich zu oberflächennahen Systemen – deutlich höhere Thermalwassertemperaturen; das heißt pro Anlage kann eine deutlich höhere Wärmemenge auf einem entsprechend höheren Temperaturen im Vergleich zu den typischen Wärmepumpenanwendungen bereitgestellt werden. Dafür steigen allerdings auch der technische Aufwand und das Risiko. Aufgrund der höheren Thermalwassertemperaturen ist bei der tiefen Geothermie eine diversere Wärmebereitstellung möglich; beispielsweise ist auch eine Prozesswärmebereitstellung möglich [1; 22].

Welt. Die in den weltweit insgesamt betriebenen geothermischen Heizwerken installierte thermische Leistung lag Ende 2019 bei rund 30,2 GW (für 2018 berechnet: 27,8 GW). Im letzten Jahr wurden rund 2,4 GW an thermischer Leistung neu in Betrieb genommen. Mit diesen Heizwerken wurden rund 421 PJ / 116,9 TWh (2019) an Nutzwärme bereitgestellt (für 2018 berechnet: 381 PJ / 105,8 TWh) [1; 22].

Technologiebedingt wird Wärme aus tiefer Geothermie dort produziert, wo besonders begünstigte geologische Vorkommen erschließbar sind. Typischerweise werden – falls vorhanden – Hochenthalpie-Vorkommen genutzt, die in geringen Tiefen technologisch einfach, sicher und kostengünstig erschlossen werden können. Liegt eine ausreichende Wärmenachfrage mit einer vielversprechenden Infrastruktur (das heißt Nah-/Fernwärmenetz) vor, werden zum Teil auch Vorkommen in Gebieten mit weniger günstigen Untergrundbedingungen genutzt. Beispiele für die Nutzung von Hochenthalpie-Vorkommen sind Nord- und Mittelamerika. Demgegenüber können zum Beispiel in Nord- und Mitteleuropa fast ausschließlich nur Niedrigenthalpie-Vorkommen erschlossen werden. Allerdings liegen hier oft sehr gute infrastrukturelle Voraussetzungen für eine Wärmeverteilung (das heißt existierende Fernwärmenetze) vor und zusätzlich wird die Installation und der Betrieb derartiger Anlagen teilweise staatlich unterstützt [1; 22].

Nach wie vor wird in China die größte geothermische Wärme­bereitstellung realisiert. Weitere Märkte mit signifikanten Nennwärmeleistungen aus tiefer Geothermie sind in der Türkei, in Japan, auf Island und in Italien vorhanden [1; 22].

Die Anlagentechnik der geothermischen Heizwerke ist weitgehend ausgereift; innovative Lösungen, die über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen, sind nicht am Markt nicht erkennbar. Jedoch werden zunehmend Anstrengungen unternommen, die geothermische Wärme immer weitergehender (das heißt kaskadenförmig) zu nutzen; beispielsweise werden nach der eigentlichen Wärmeauskopplung zum Beispiel Technologien zur Trocknung unterschiedlicher Lebensmittel oder anderer Rohstoffe eingesetzt [21 bis 23].

Weltweit sind noch beachtliche unerschlossene Potenziale vorhanden. Je nach geologischen Gegebenheiten ist eine weitergehende Erschließung dieser Vorkommen aber typischerweise unter Kosteneffizienzgesichtspunkten nur bei einer entsprechend hohen Wärmenachfrage realisierbar. Damit ist insbesondere bei Niedrigenthalpie-Vorkommen zu erwarten, dass eine Wärmenutzung aus tiefer Geothermie nur sehr verhalten ausgebaut werden wird. Bei einem durchschnittlichen Wachstum wie in den vergangenen Jahren von 5 bis 8 %/a würde sich für 2025 eine weltweit installierte thermische Leistung von 38 bis 42 GW ergeben; damit könnten dann rund 502 bis 554 PJ beziehungsweise 139,4 bis 153,9 TWh (2025) an Wärme bereitgestellt werden (Bild 9).

Bild 9 Entwicklung der weltweiten kumulierten thermischen Leistung und weltweiten Wärmeerzeugung aus tiefer Geothermie (eigene Darstellung nach [1; 17; 25; 26]).

Bis 2030 könnte – bei vergleichbaren Zuwächsen – die global installierte thermische Leistung auf 45 bis 55 GW ansteigen; damit wäre dann eine Nutzwärmebereitstellung von rund 594 bis 726 PJ beziehungsweise 165 bis 201,7 TWh (2030) möglich.

EU. Die installierte thermische Leistung aller in der EU vorhandenen geothermischen Anlagen für eine ausschließliche Wärmebereitstellung lag Ende 2019 bei geschätzten 3,9 GW (für 2018 berechnet: 3,8 GW). Mit diesem Anlagenpark wurden rund 69,4 PJ / 19,3 TWh (2019) an Nutzwärme bereitgestellt (für 2018 berechnet: 62,8 PJ / 17,4 TWh) [1; 22].

Anders als auf globaler Ebene ist in der EU derzeit keine signifikante Wachstumsdynamik erkennbar. Ein Ausbau der tiefen Geothermie wird durch hohe Erschließungskosten, geologische Risiken, dem zwingend benötigten Fernwärme- beziehungsweise Nahwärmeverteilnetz und der oft kostengünstiger verfügbaren Konkurrenzenergie stark beschränkt. Ausnahmen stellen geologisch und infrastrukturell relativ günstige Gebiete dar (zum Beispiel Großraum München mit einem vorhandenen Fernwärmenetz, einem vielversprechenden Untergrund (Molassebecken) und dem Ziel, die Wärmeversorgung komplett regenerativ zu realisieren). Wird für die EU von einer mittleren Wachstumsrate von 2 %/a ausgegangen, könnte die thermische Gesamtkapazität aller geothermischen Heizwerke bis 2025 bei 4 und 5 GW liegen; die potenzielle Nutzwärmebereitstellung läge dann zwischen 60 und 75 PJ beziehungsweise 16,7 und 20,8 TWh (2025). Bis 2030 könnten dies auf 5 bis 6 GW beziehungsweise etwa 75 bis 90 PJ beziehungsweise 20,8 bis 25 TWh (2030) ansteigen.

6.2 Stromerzeugung

Welt. Durch Neuinstallationen von rund 0,7 GW im Jahr 2019 waren in den weltweit vorhandenen geothermischen Kraft- und Heizkraftwerken insgesamt rund 13,9 GW an elektrischer Leistung installiert. Dieser Kraftwerkspark stellte rund 95 TWh (2019) bereit (2018: 13,3 GW, 89 TWh) [1; 17; 25].

Der stärkste Ausbau der geothermischen Stromerzeugung fand 2019 in der Türkei, in Indonesien sowie in Kenia statt; allein hier wurden rund 85 % der neu installierten Kraftwerkskapazität verbaut. Der größte Ausbau war – wie bereits auch im Vorjahr – in der Türkei mit 232 MW an zusätzlicher Leistung zu verzeichnen (2018: 219 MW). Darüber hinaus wurden in Indonesien Kapazitäten von 182 MW sowie in Kenia 160 MW installiert [2; 17].

Die größten insgesamt installierten Leistungen sind in den USA zu finden; hier wurde 2019 eine elektrische Leistung von insgesamt 2,6 GW (Zubau 2019: 15 MW) betrieben, mit der etwa 17,0 TWh (2019) erzeugt wurden. Aber auch auf den Philippinen und auf Indonesien (2,1 und 1,9 GW; etwa 14,2 und 12,8 TWh (2019)) sowie in Neuseeland und Mexiko (1,0 und 0,9 GW; jeweils rund 6,3 TWh (2019)) sind erhebliche elektrische Leistungen verbaut. Die Türkei entwickelt sich durch einen Zubau im vergangenen Jahr mit einer gesamtinstallierten Leistung von 1,5 GW zunehmend zu einem Big Player der geothermischen Stromerzeugung und liegt auf Platz vier der installierten Leistung weltweit [1; 2; 23].

Eine Stromerzeugung aus tiefer Geothermie wird damit überwiegend in Ländern / Gebieten mit besonders günstigen geologischen Randbedingungen (das heißt Hochenthalpie-Vorkommen) realisiert; für eine thermodynamisch effiziente Stromerzeugung sind derartige Hochenthalpie-Vorkommen eine zwingende Voraussetzung. Unter diesen vorteilhaften geologischen Bedingungen ist die Realisierung eines derartigen Geothermie-Projektes zwar immer noch technisch anspruchsvoll, aber in der Regel wirtschaftlich möglich und das Risiko im Allgemeinen überschaubar. Liegen demgegenüber lediglich durchschnittliche geologische Ressourcen (zum Beispiel Niedrigenthalpie-Vorkommen wie unter anderem in Deutschland und Frankreich) vor, ist die Projektrealisierung in der Regel technisch sehr viel anspruchsvoller; daraus resultieren deutlich höhere spezifische Investitionen und höhere Risikoaufschläge, die einer kommerziellen Umsetzung eines derartigen Projektes oft entgegenstehen [1].

Auch zukünftig wird die Stromerzeugung aus tiefer Geothermie, insbesondere an geothermisch bevorzugten Standorten, weiter ausgebaut. Insbesondere die Nutzung zum Beispiel in der Türkei und in Indonesien dürfte weiter zunehmen. Ausgehend von der durchschnittlichen Ausbaurate der vergangenen Jahre könnte die weltweit installierte elektrische Leistung geothermischer Kraftwerke Ende 2025 bei 16 bis 18 GW liegen; damit wäre dann eine Strombereitstellung von rund 108 bis 122 TWh (2025) möglich (Bild 10). Bis 2030 wäre bei konstanter Ausbaurate eine elektrische Gesamtkapazität von rund 19 bis 23 GW und eine damit verbundene Strombereitstellung von rund 128 bis 155 TWh (2030) denkbar.

Bild 10 Entwicklung der weltweiten kumulierten elektrischen Leistung und der produzierten Strommenge aus tiefer Geothermie (eigene Darstellung nach [1; 7; 17; 25; 26]).

EU. Ende 2019 waren in der EU 0,9 GW an elektrischer Leistung in geothermischen Kraftwerken installiert, mit der geschätzte knapp 7 TWh (2019) erzeugt wurden. Noch immer ist in Italien, das über die einzigen Hochenthalpievorkommen auf dem europäischen Festland verfügt, der mit Abstand größte Anteil der in Geothermie-Kraftwerken installierten Leistung vorhanden (0,8 GW; 6 TWh (2019)). Vergleichsweise kleinere Kapazitäten sind weiterhin in Deutschland (42 MW; 0,31 TWh (2019)), Portugal (29 MW; 0,2 TWh (2019)) und Frankreich (16 MW; 0,12 TWh (2019)) installiert [1; 7; 23; 27].

Wird auch für die EU eine jährliche Ausbaurate von durchschnittlich 2 %/a unterstellt, würde dies zu einer maximalen installierten elektrischen Leistung von rund 1,0 beziehungsweise 1,2 GW bis Ende 2025 beziehungsweise 2030 führen. Mit den dann betriebenen Kraft- und Heizkraftwerken könnten rund 6,6 bis 7 TWh (2025) beziehungsweise 6,6 bis 7,9 TWh (2030) an Strom erzeugt werden.

M. Sc. Jerrit Hilgedieck, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der Technischen Universität Hamburg (TUHH)

M. Sc. Daniel Christ, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der Technischen Universität Hamburg (TUHH)

Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der Technischen Universität Hamburg (TUHH)

Dr.-Ing. Annika Magdowski, Stromnetz Hamburg GmbH

M. Sc. Niels Kirstein, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

Gabriel Costa de Paiva, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

M. Sc. Christopher Schmid, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

Dr.-Ing. Volker Lenz, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), Leipzig

Literaturnachweise

Bisher erschienen:

Aktueller Ausbaustand der erneuerbaren Energien weltweit

Wasserkraft als Stromquelle und -speicher

Energie aus Gezeiten und Wellen

Windenergie: Offshore gewinnt an Bedeutung

Vielseitig nutzbar: Solarenergie

Das Online-Special wird mit den folgenden Beiträgen fortgesetzt:

Biomasse

Zusammenfassung und Einordnung Energiesystem

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