7. – 8. Schuljahr

Christoph Baron ∙ Florian Ringel

Aus der Tiefe in die Wohnung

Geothermie als Energieträger per Augmented Reality entdecken

Island ist weltweit führend bei der Nutzung von Geothermie. Sie liefert den Großteil der Energie für Heizung und Warmwasser. Exemplarisch machen sich Schülerinnen und Schüler dabei mit der Nutzung geothermischer Energie vertraut. Die Annäherung fungiert als zentrale Wegmarke innerhalb der Fragestellung, welche Bedeutung dieser Energieträger in Europa momentan einnimmt.

Sachanalyse
Die theoretische Grundlage für das Verstehen der Geothermie (s. Abb. 1 ) bildet die Plattentektonik (s. Abb. 2 ). Zum Beispiel wird bei divergierenden (oder auch konstruktiven) Platten die Lücke, welche durch das Auseinanderbewegen der Platten entsteht, durch Material geschlossen, das aus der Asthenosphäre, also der weichen Sphäre des oberen Erdmantels, aufdringt (vgl. Zepp 2014, S. 36). Damit Magma entsteht, müssen die festen Gesteine der Erdkruste aufgeschmolzen werden. Diese Basaltschmelzen bilden sich in 70 –10 Kilometer Tiefe, steigen zum Beispiel unter dem Mittelozeanischen Rücken auf und bilden Plutone, subvulkanische Gänge und submarine Vulkane (vgl. Bahlburg/Breitkreuz 2004, S. 273). Der Reykjanes-Rücken auf Island (vgl. Schellmann 2011, S. 369), der benannt ist nach dem isländischen Kap Reykjanes auf der Halbinsel Reykjanesskagi, stellt das wohl bekannteste Beispiel für solch ein Driftsystem dar (s. Abb. 3 ).
Technische Grundlagen und Funktionsweise
Unterschieden werden die oberflächennahe Geothermie, Nutzung der Erdwärme aus bis zu 400 Metern Tiefe, und die Tiefengeothermie, Nutzung der Erdwärme ab 400 Metern Tiefe. Im oberflächennahen Bereich zwischen etwa 15 und 20 Metern Tiefe gibt es Bodenwärmeströme, die von der Sonneneinstrahlung und der von der Erdoberfläche an die Atmosphäre wieder abgegebenen Wärmeenergie beeinflusst werden. Es wird aber auch Energie genutzt, die im Grundwasser oder in den obersten Erdschichten bis 400 Meter gespeichert ist.
Die Tiefengeothermie resultiert aus der infolge von radioaktiven Zerfallsprozessen enormen Wärmeenergie im Erdinneren. Diese sogenannten Wärmestromdichten kommen „insbesondere an konvergierenden und divergierenden Plattengrenzen sowie am Vulkangürtel rund um den Pazifik [...] (Krüger/Reuschenbach 2014, S. 21) vor. Die Tiefengeothermie weist eine Unterscheidung in hydro- und petrothermale Geothermiesysteme auf, wobei bei der petrothermalen Energieerzeugung durchlässige Wasserreservoirs in heißem Gestein künstlich erzeugt werden müssen (Fracking) (vgl. ebd., S. 22). Demgegenüber nutzen hydrothermale Systeme mit niedriger Enthalpie das im Untergrund vorhandene Wasser, um Nah- und Fernwärmenetze zu speisen (vgl. Bundesverband Geothermie 2020).
Nach der Erschließung über Bohrungen werden in dem in der Tiefe vorhandenen Gestein mit Wasserdruck Fließwege aufgeweitet. Dadurch entsteht eine Art unterirdischer Wärmetauscher: Das von der Oberfläche eingepresste Wasser erhitzt sich, um nachdem es wieder nach oben befördert wurde eine Turbine anzutreiben, welche elektrische Energie in das Stromnetz einspeist (s. Abb. 4 ).
Dem beschriebenen Prinzip liegt eine geschlossene Zirkulation zugrunde, das heißt, der Kreislauf steht unter Druck, um das Sieden der Wärmeträgerflüssigkeit zu verhindern, sodass Dampf erst an der Turbine entsteht.
Einordnung der Bedeutung von Geothermie in Europa
Die Nutzung von erneuerbaren Energieträgern (EE) ist ein zentrales Element der Energiepolitik der Europäischen Union. Der Bruttoendenergieverbrauch von EE lag im Jahr 2017 bei 17,5 % (vgl. Eurostat 2019). Dabei wird der Bruttoendenergieverbrauch in der Richtlinie 2009/28/EG in Artikel 2 (f) wie folgt definiert: „Energieprodukte, die der Industrie, dem Verkehrssektor, Haushalten, dem Dienstleistungssektor einschließlich des Sektors der öffentlichen Dienstleistungen sowie der Land-, Forst- und Fischereiwirtschaft zu energetischen Zwecken geliefert werden,...

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