Um die weltweiten Klimaschutzziele und die Dekarbonisierung zu erreichen, stehen Wind- und Solarenergie im Fokus der Öffentlichkeit. Doch eine saubere und nachhaltige Energiequelle wird dabei häufig übersehen. Dabei bietet sie im Gegensatz zu Sonne und Wind eine konstante Versorgung: Geothermie. In diesem Blog erfahren Sie, welche Chancen die Geothermie bietet und warum Rohrsysteme aus Kunststoff es erst ermöglichen, dieses unerschöpfliche Energievorkommen wirtschaftlich zu nutzen.
Die natürliche Energiegewinnung aus dem Erdinneren ist keineswegs eine moderne Erfindung: Bereits seit der Antike nutzen Menschen geothermische Quellen für Heizzwecke und als natürliche Thermalbäder. Doch erst in den letzten Jahrzehnten hat die technologische Entwicklung es ermöglicht, die Geothermie in großem Maßstab für die Stromerzeugung und als nachhaltige Wärmequelle zu erschließen.
Geothermie basiert auf einem einfachen Prinzip: Die Erde erzeugt in ihrem Kern enorme Mengen an Wärmeenergie, die Mantel und Erdkruste erwärmen. Diese natürliche Wärme wird durch Rohrleitungen an die Oberfläche gebracht und in nutzbare Energie umgewandelt. Dabei ist der Prozess der Energiegewinnung nahezu CO2-frei. Die Nutzung der Geothermie bietet aber nicht nur die Möglichkeit, den CO2-Footprint signifikant zu reduzieren, sondern auch langfristig eine zuverlässige und kosteneffiziente Energieversorgung sicherzustellen.
Geothermie ist ein Multitalent bei den erneuerbaren Energien: Sie kann grundlastfähig Strom produzieren und bietet zudem die Möglichkeit, Heiz- und Kühlsysteme zu betreiben – also eine attraktive Dreifachfunktion sowohl als Quelle für Elektrizität als auch für Wärme und Kälte.
Trotz ihres Potenzials als saubere und zuverlässige Energiequelle, zeigt ein Blick auf die globale Energiesituation, dass Geothermie noch immer eine marginale Rolle spielt.
Die Investitionen auf etablierte Technologien wie Solar und Wind vereinten im Jahr 2022 95% der Gesamtsumme auf sich. Andere erneuerbare Energien, zu denen auch Geothermie zählt, erreichten nur 7% der Investitionen.
Die Stromerzeugung aus Geothermie ist weltweit mit einer moderaten Rate von etwa 3,5 % jährlich gewachsen und erreichte im Jahr 2021 eine Gesamtinstallationskapazität von ungefähr 15,96 Gigawatt elektrisch (GWe). Damit macht die Geothermie nur einen geringen Anteil von 0,5 % der erneuerbaren Energien für Stromerzeugung sowie Heizung und Kühlung aus.
Trotz des geringen Anteils zeigt der Trend: Geothermie wächst. Der Einsatz von Geothermie für Heiz- und Kühlzwecke ist zwischen 2015 und 2020 durchschnittlich um etwa 9 % jährlich gewachsen, was zu einer thermischen Kapazität von 107 Gigawatt (GWth) im Jahr 2020 führte.
Die Geothermie bietet für die weltweite Energiewirtschaft ein enormes Wachstumspotenzial. Länder mit günstigen geologischen Bedingungen zeigen, dass eine umfassende Nutzung geothermischer Ressourcen möglich ist. Länder mit vulkanischer Aktivität oder tektonischen Verwerfungen profitieren besonders von der Geothermie, da dies die geologischen Bedingungen und damit den Zugang zu geothermischen Ressourcen erleichtert. Dazu gehören beispielsweise:
Island: Dank seiner vulkanischen Aktivität nutzt Island Geothermie für Heizung, Stromerzeugung.
Philippinen und Indonesien: Beide Länder gehören zu den führenden in der geothermischen Stromerzeugung, unterstützt durch ihre Lage im Pazifischen Feuerring.
Neuseeland: Dieses Land nutzt seine geothermischen Ressourcen für Stromerzeugung und industrielle Anwendungen.
Kenia: Es ist eines der führenden Länder in Afrika, das Geothermie zur Stromerzeugung nutzt, insbesondere im Rift Valley.
USA: Vor allem in Kalifornien, Nevada und Hawaii wird Geothermie für Strom und Heizung genutzt.
Die Temperatur des Erdinneren steigt mit zunehmender Tiefe an. Dieses Phänomen wird als geothermischer Gradient bezeichnet. Dieser Gradient kann je nach geologischen Gegebenheiten variieren. Er liegt durchschnittlich bei etwa 25 bis 30 °C pro Kilometer in der Erdkruste. In vulkanischen oder tektonisch aktiven Gebieten kann die Temperaturzunahme pro Kilometer Tiefe deutlich höher sein. Man unterscheidet in der Geothermie – abhängig von der Tiefe – unterschiedliche Formen. Jede hat für die Energiegewinnung ihre eigene Bedeutung und Anwendungen. Die verschiedenen Arten der Geothermie bieten Lösungen für eine breite Palette: von der Bereitstellung von Fernwärme über die dezentrale Wärmeversorgung durch geothermische Wärmepumpen bis hin zur großflächigen Stromproduktion.
In diesen Tiefen kann die Temperatur 60 °C überschreiten; oft erreicht man schon bei einigen Tausend Metern Tiefe Temperaturen von über 100 °C. Tiefengeothermie nutzt die hohen Temperaturen hauptsächlich für die Stromerzeugung, die mittels Turbinen oder Generatoren erzeugt wird. Diese Art der Geothermie ist insbesondere in vulkanischen Gebieten präsent, wo heiße Gesteinsschichten leicht zugänglich sind. Kraftwerke, die diese Energieform nutzen, können eine große Menge an Basislaststrom liefern, der das Rückgrat eines jeden Energieversorgungsnetzes bildet.
Die mitteltiefe Geothermie nutzt die Erdwärme in einem Temperaturbereich von etwa 25 °C bis 60 °C. Sie bietet eine effiziente Lösung für die Wärmeversorgung von Gebäuden, Gewächshäusern und industriellen Prozessen. Durch die Nutzung der relativ stabilen Temperaturen in dieser Tiefe können mitteltiefe geothermische Systeme eine konstante Energiequelle bereitstellen, die sich ideal für die Beheizung und in einigen Fällen auch für die Kühlung eignet.
In dieser Tiefe können Temperaturen zwischen etwa 10 °C und 25 °C vorherrschen, was ideal für den Betrieb von Wärmepumpen ist. Mit dieser Form der Geothermie werden die konstanten, mäßigen Temperaturen der Erde genutzt, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Oberflächennahe Geothermie ist besonders geeignet für Wärmepumpensysteme, die in privaten Haushalten und in der Industrie zur Klimatisierung genutzt werden.
Bei der Auswahl des passenden Rohrleitungsmaterials für geothermische Anwendungen sind Kunststoffrohre quasi alternativlos. Der Grund: Ihre herausragende Beständigkeit gegenüber Korrosion, ihre Flexibilität und ihre lange Lebensdauer heben sie von anderen Materialien wie Stahl und Kupfer ab.
Kunststoffrohre sind daher elementar zur Nutzung der Geothermie. Stahlrohre sind anfällig für Korrosion durch chemische Substanzen im Boden oder im Wasser. Nachteilig für Kupferrohre hingegen sind die enorm hohen Investitionskosten sowie die Neigung zur Inkrustation und damit ein hoher Wartungsaufwand.
Besonders geeignet für geothermische Anwendungen sind Rohrleitungssysteme aus Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Beide Kunststoffe weisen nicht nur eine hohe Beständigkeit gegenüber korrosiven Stoffen auf, sondern sind auch für ihre Flexibilität bekannt, was sie ideal für die Verlegung macht. Darüber hinaus sorgen ihre thermischen Eigenschaften für minimale Wärmeverluste, wodurch die Effizienz des gesamten geothermischen Systems steigt. Es gibt aber signifikante Unterschiede beider Materialien: Polypropylen PP hat eine höhere Steifigkeit, Härte und Festigkeit als Polyethylen PE. Die obere Gebrauchstemperatur liegt bei 95°C und PP kann kurzzeitig Temperaturen bis 150°C aushalten. Bei Polyethylen liegt die Grenze bei 60°C. Daher ist je nach Anwendungsfall bzw. Projekt das richtige Rohrmaterial entscheidend.
Die Installation von Kunststoffrohrsystemen ist einfacher und schneller als die von Metallrohren. Moderne Verbindungstechniken, wie das Kunststoffschweißen, schaffen dauerhafte, dichte Verbindungen, die eine sichere Langzeitnutzung garantieren. Diese Installationsvorteile führen zu einer beschleunigten Projektumsetzung und damit zu einer Reduzierung der Arbeitskosten.
Die Umweltverträglichkeit von Kunststoffrohren spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Sie sind energieeffizient in der Herstellung und am Ende ihrer Lebensdauer oft recycelbar, was den ökologischen Fußabdruck gegenüber metallischen Systemen signifikant minimiert.
Die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten von Geothermie ist beeindruckend. Doch hält sie auch in der Praxis, was sie verspricht. Zwei Projektbeispiele, bei denen aquatherm Rohrsysteme eingesetzt wurden, zeigen die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit für die Energiezukunft auf.
Das Projekt der Stadtwerke Arnsberg ist ein Meilenstein in der kommunalen Energieversorgung. Mit der Planung, die im Juni 2005 begann, wollte Arnsberg zum Vorreiter bei der Nutzung erneuerbarer Energiequellen werden. Es war zum Planungszeitpunkt Deutschlands tiefste Bohrung. Das Ziel: mit maximalem Energieertrag das Freizeitbad „Nass“ mit 2,1 Millionen Kilowattstunden pro Jahr heizen.
Die Herausforderung lag in der Tiefe: Bei einer Temperaturerhöhung von etwa 3°K pro 100 Meter wurden an der Sohle der 2835 Meter tiefen Bohrung beeindruckende 83 °C gemessen. Dieses erhitzte Wasser sollte nahezu verlustfrei an die Oberfläche gebracht werden, um die Wärme zu nutzen und dann das abgekühlte Wasser zurück in die Tiefe zu führen.
Doch es gab Probleme: Die für das Projekt vorgesehenen GFK-Doppelwandrohre (Glasfaserverstärkter Kunststoff) erwiesen sich als ungeeignet, den enormen Belastungen standzuhalten. In der Folge begann eine weltweite Suche nach einer robusten und innovativen Lösung. aquatherm, durch zahlreiche Medienberichte auf das Arnsberger Problem aufmerksam geworden, trat proaktiv in Kontakt mit der Kommune und dem Bohrunternehmen. Dank der Erfahrung von aquatherm gelang es, eine passende Lösung zu entwickeln.
Nach eingehenden Tests am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik der TH Clausthal, bei denen das Komposit-Rohr von aquatherm unterschiedliche Prüfungen bestand, wurde es der Stadtverwaltung Arnsberg präsentiert. Das innovative Rohrsystem besteht aus einem Stahlaußenrohr mit einem Inliner aus dem PP-Kunststoffrohr aquatherm green. Diese Kombination wurde sowohl den mechanischen als auch den energetischen Anforderungen gerecht. Selbst unter extremen Bedingungen, wie sie am Fuß der Tiefenbohrung herrschen, bewies das Rohrsystem seine Zuverlässigkeit – es hielt Temperaturen von 95 °C und Drücken von 320 bar stand.
Die Installation verlief ohne technische Schwierigkeiten bis zu der Tiefe von 2.800 Metern. Unter Aufsicht der Bergbaubehörde und nach dem Einbau der Zirkulationspumpe am 8. Februar 2012, erreichte das Projektteam schnell das Planziel: 55 °C heißes Wasser gelangte an die Erdoberfläche. Das Freizeitbad „Nass“ profitiert nun von dem geothermisch erwärmten Wasser. Dieses Projekt ist ein erfolgreiches Beispiel für eine erfolgreiche Energiewende: Die lokale Klimabelastung wird um etwa 800 Tonnen CO2 pro Jahr reduziert.
Im Jahr 2023 nahm das Geothermieheizwerk der Stadtwerke Schwerin seinen Betrieb auf und setzte damit neue Maßstäbe in der nachhaltigen Energieversorgung Deutschlands. Dieses zukunftsorientierte Projekt in Schwerin, stellt einen innovativen Ansatz dar, um die Herausforderungen hoher Mineralisation im Thermalwasser zu meistern.
Die besonderen Bedingungen in Schwerin – Thermalwasser mit einem hohen Mineralgehalt, das bei etwa 50/70 °C permanent unter Überdruck steht – verlangten nach einem Rohrleitungssystem, das diesen extremen Anforderungen gewachsen ist. Die Antwort fand sich in aquatherm blue, das robust genug ist, um den hohen korrosiven Einflüssen standzuhalten.
aquatherm blue erfüllt aber nicht nur die technischen Anforderungen, sondern ist auch ökologisch zukunftsweisend. Die geothermische Anlage der Stadtwerke Schwerin kann mit mitteltiefer Geothermie und einer modernen Wärmepumpentechnologie rund 15 Prozent der Fernwärme in Schwerin klimafreundlich erzeugen. Dazu wird das Thermalwasser zuerst an die Oberfläche befördert, um dort durch Wärmetauscher und Wärmepumpen die geothermische Energie zu nutzen. Nachdem die Wärme entzogen wurde, wird das abgekühlte Wasser wieder zurück in die Gesteinsschicht geleitet, was einen nachhaltigen und geschlossenen Kreislauf schafft. Die schweißtechnische Verbindung der Rohre sorgt für eine hohe Zuverlässigkeit des Systems, da es keine Schwachstellen gibt. Dies ist ein besonderer Vorteil, da das Thermalwasser als wassergefährdend eingestuft wird und somit höchste Anforderungen an die Sicherheit der Installation gestellt werden.
„Thermalwässer, wie sie im norddeutschen Becken gefördert werden, stellen besondere Anforderungen an das Rohrleitungsmaterial“, erklärt Dr.-Ing. Frank Kabus, Geschäftsführer der Geothermie Neubrandenburg GmbH als Beratungs- und Planungsbüro des Projekts. „Wegen der hohen Mineralisation von bis zu 300 g/l ist die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes natürlich ein wesentlicher Aspekt. Darüber hinaus muss aus geochemischen Gründen im Rohrsystem ein permanenter Überdruck von einigen bar gehalten werden – und das bei Temperaturen im Bereich von 50/70 °C. aquatherm blue aus dem Kunststoff Polypropylen ist eine ideale Lösung unter den angetroffenen Bedingungen. Der Sauerstoffzutritt zum Thermalwasser, normalerweise ein Nachteil von Kunststoff gegenüber metallischen Rohren, kann in diesem Fall durch die Integration einer Diffusionssperre verhindert werden. Dies ist essenziell, da es ansonsten zur Partikelbildung im Thermalwasser kommen kann, die im Untergrund im Laufe der Zeit Injektionsprobleme schafft.“
Weitere Informationen zu dieser Fallstudie finden Sie hier.
Das aquatherm blue Rohrsystem bietet ein breites Spektrum an Vorteilen, die es zur idealen Wahl für anspruchsvolle geothermische Projekte macht:
Auch das PP-Rohrsystem aquatherm green ist für geothermische Anwendungen hervorragend geeignet – insbesondere für die tiefe Geothermie.
Mit aquatherm blue oder aquatherm green lässt sich die Wärme aus der Erde gewinnen, und mit aquatherm energy wird sie hocheffizient zu den Verbrauchern geleitet. Denn das wärmeisolierte Rohrsystem ist für moderne Fernwärmenetze geeignet. Die Isolierungseigenschaften von aquatherm energy minimieren Wärmeverluste in Fernwärmenetzen und sind somit ideal für die Anforderungen der Fernwärme der 4. Generation. Damit erhalten Kunden eine ganzheitliche Lösung aus einer Hand.
aquatherm bietet weit mehr als nur hochwertige Rohrsysteme. Kunden profitieren von einer umfassenden Unterstützung und von Dienstleistungen, die Sicherheit und Effizienz auf verschiedenen Ebenen gewährleisten.
Von Anfang an stehen den Kunden Experten von aquatherm zur Seite, die bei der technischen Planung und Auslegung der Systeme helfen.
aquatherm bietet digitale Werkzeuge und Dienstleistungen an, die insbesondere den Planungsprozess erleichtern. Diese digitalen Lösungen umfassen BIM-Unterstützung, Planungssoftware und Apps.
Der Kundenservice von aquatherm gibt Antworten auf technische Fragen, führt Schulungen für Installateure und Planer durch und leistet Unterstützung bei Inbetriebnahmen.
Mit weltweiten Projekten verfügt aquatherm über eine breite internationale Erfahrung, von denen Kunden bei der Umsetzung ihrer Projekte profitieren.
Die Produkte von aquatherm sind umfassend zertifiziert und die Nachhaltigkeit von aquatherm blue, aquatherm green und aquatherm energy sind in EPDs dokumentiert. Das gibt den Kunden die Sicherheit, dass sie den nationalen und internationalen Standards entsprechen.
Die umfangreiche Unterstützung und die hochwertigen Produkte bieten eine hohe Projektsicherheit.
Durch die lange Lebensdauer, minimale Wartungsanforderungen und die Effizienz der Rohrsysteme amortisiert sich die anfängliche Investition schnell und nachhaltig.
Dank der zuverlässigen Planungs- und Installationsprozesse ermöglicht aquatherm eine hohe Terminsicherheit für Projekte.
aquatherm verstärkt seit Januar 2024 als Mitglied den Bundesverband Geothermie e.V., der sich für die Förderung und Entwicklung geothermischer Energie einsetzt. Das Engagement von aquatherm im Verband unterstreicht die aktive Beteiligung an der Gestaltung einer nachhaltigen Energiezukunft. Gemeinsam mit dem Verband setzt sich aquatherm für die Aufklärung über Geothermie, die Optimierung von Rahmenbedingungen und die Förderung innovativer Technologien ein.
Die Vorteile der Geothermie sind klar definiert und ihre Rolle in der zukünftigen Energieversorgung ist unbestreitbar. Geothermie steht für eine saubere, zuverlässige, CO2-freie, erneuerbare Energiequelle. Sie besitzt die Fähigkeit, unabhängig vom Wetter, eine kontinuierliche Grundlast zu liefern:
Die Rohrsysteme aquatherm blue, aquatherm green und aquatherm energy sind aufgrund ihrer besonderen Materialeigenschaften entscheidend für die erfolgreiche Realisierung und den Betrieb von geothermischen Anlagen sowie für den Transport in Fernwärmenetzen.
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