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Geothermie zählt zu den vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen, wenn es darum geht, eine kontinuierliche und klimafreundliche Strom- und Wärmeversorgung zu gewährleisten. Anders als Wind- und Solarenergie ist die Erdwärme unabhängig von Wetter und Tageszeit und kann damit einen wichtigen Beitrag zur Grundlastsicherung leisten. In diesem Artikel erklären wir, wie ein Geothermie-Kraftwerk funktioniert, welche Technologien zum Einsatz kommen und welche Rolle die Geothermie im globalen Energiemix spielen kann.

Das Prinzip der Geothermie

Geothermie nutzt die im Erdinneren gespeicherte Wärme. Der Erdkern ist mit über 5.000 Grad Celsius ähnlich heiß wie die Sonnenoberfläche. Diese Wärme stammt zum Teil aus der Entstehung der Erde vor Milliarden von Jahren, zum Teil aus dem radioaktiven Zerfall von Elementen im Erdmantel. Die Wärme wandert kontinuierlich an die Erdoberfläche, wo sie als geothermischer Gradient messbar ist: Im Durchschnitt nimmt die Temperatur um etwa 3 Grad Celsius pro 100 Meter Tiefe zu.

Für die energetische Nutzung wird diese Wärme durch Bohrungen erschlossen. Je nach geologischen Bedingungen kann heißes Wasser oder Dampf aus dem Untergrund gefördert werden. In Regionen mit vulkanischer Aktivität oder tektonischen Störungen liegen die Temperaturen oft schon in geringer Tiefe bei über 150 Grad Celsius – ideale Bedingungen für die Stromerzeugung. In anderen Gebieten muss tiefer gebohrt werden, um ausreichend hohe Temperaturen zu erreichen.

Arten von Geothermie-Kraftwerken

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Kraftwerkstypen, die je nach Temperatur und Aggregatzustand des geförderten Mediums eingesetzt werden: Trockendampf-, Entspannungsdampf- und Binärkraftwerke.

Trockendampfkraftwerke

Diese älteste Technologie nutzt direkt den aus der Erde austretenden Dampf. Der Dampf wird gereinigt und anschließend auf eine Turbine geleitet, die einen Generator antreibt. Nach der Entspannung kondensiert der Dampf und wird entweder in den Untergrund zurückgeführt oder als Kühlwasser genutzt. Trockendampfkraftwerke sind nur an wenigen Orten der Welt möglich, etwa in Larderello (Italien) oder The Geysers (Kalifornien).

Entspannungsdampfkraftwerke

Hierbei wird heißes Wasser mit Temperaturen über 180 Grad Celsius aus der Tiefe gefördert. Beim Aufstieg sinkt der Druck, wodurch ein Teil des Wassers schlagartig verdampft (Flash-Verdampfung). Der entstehende Dampf treibt die Turbine an, das verbleibende heiße Wasser wird entweder in einem zweiten Entspannungsschritt genutzt oder zurück in den Untergrund geleitet. Diese Kraftwerke sind weltweit am weitesten verbreitet.

Binärkraftwerke

Binärkraftwerke kommen bei niedrigeren Temperaturen von etwa 100 bis 180 Grad Celsius zum Einsatz. Das geförderte heiße Wasser wird in einem Wärmetauscher an ein sekundäres Arbeitsmedium mit niedrigerem Siedepunkt (z. B. Isopentan oder Ammoniak) abgegeben. Dieses verdampft, treibt die Turbine an und wird anschließend wieder kondensiert. Das abgekühlte Thermalwasser wird vollständig in den Untergrund zurückgepumpt. Binärkraftwerke ermöglichen die Stromerzeugung auch in Regionen ohne vulkanische Aktivität und gelten als besonders umweltfreundlich, da sie in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten.

Der Weg von der Wärme zum Strom

Unabhängig vom Kraftwerkstyp folgt die Stromerzeugung einem ähnlichen Ablauf: Zunächst wird das heiße Fluid über eine Förderbohrung an die Oberfläche gepumpt. Dort wird seine thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt, indem Dampf oder ein Arbeitsmedium eine Turbine antreibt. Die Turbine ist mit einem Generator gekoppelt, der die mechanische in elektrische Energie umwandelt. Nach der Nutzung wird das abgekühlte Fluid über eine Injektionsbohrung wieder in die geothermische Lagerstätte zurückgeführt, um den Druck im Reservoir aufrechtzuerhalten und eine nachhaltige Nutzung zu gewährleisten.

„Geothermie ist die einzige erneuerbare Energiequelle, die rund um die Uhr grundlastfähig Strom liefern kann – unabhängig von Wetter und Jahreszeit.“

Der Wirkungsgrad von Geothermie-Kraftwerken liegt mit 10 bis 20 Prozent zwar niedriger als bei fossilen Kraftwerken, dafür sind die Brennstoffkosten gleich null und die Emissionen minimal. Zudem kann die Abwärme für Fernwärme oder industrielle Prozesse genutzt werden, was die Gesamteffizienz deutlich erhöht.

Vorteile und Herausforderungen

Geothermie bietet zahlreiche Vorteile: Sie ist emissionsarm, platzsparend und liefert konstante Energie. Im Vergleich zu Wind- und Solarparks benötigt ein Geothermie-Kraftwerk nur wenig Fläche, und die Anlagen haben eine lange Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. Zudem ist die Technologie ausgereift und kann in vielen Regionen der Welt eingesetzt werden.

Allerdings gibt es auch Herausforderungen. Die Erschließung tiefer geothermischer Reservoire ist mit hohen Investitionskosten und einem gewissen Fündigkeitsrisiko verbunden. Nicht jede Bohrung trifft auf ausreichend heißes Wasser oder eine ausreichende Durchlässigkeit des Gesteins. Zudem können induzierte Seismizität und der Umgang mit mineralhaltigen Thermalwässern technische Probleme bereiten. Forschung und Entwicklung zielen darauf ab, diese Risiken zu minimieren und die Effizienz weiter zu steigern.

Geothermie weltweit und in Deutschland

Weltweit sind derzeit etwa 16 Gigawatt geothermische Stromerzeugungskapazität installiert, vor allem in Ländern wie den USA, Indonesien, den Philippinen, der Türkei und Neuseeland. Auch in Europa spielt Geothermie eine wachsende Rolle, insbesondere in Island und Italien. In Deutschland liegt der Fokus bisher auf der tiefen Geothermie zur Wärmeversorgung, etwa in München oder im Oberrheingraben. Die Stromerzeugung aus Geothermie ist hierzulande noch gering, aber es gibt vielversprechende Pilotprojekte.

Die Bundesregierung hat die Geothermie als wichtigen Baustein der Energiewende identifiziert und fördert Forschung und Pilotanlagen. Bis 2030 soll die installierte Leistung deutlich ausgebaut werden. Neben der Stromerzeugung bietet die Geothermie großes Potenzial für die Wärmeversorgung von Gebäuden und Industrie – ein Bereich, der bisher stark von fossilen Brennstoffen abhängt.

Ausblick: Geothermie als Schlüsseltechnologie

Die Geothermie hat das Potenzial, einen bedeutenden Beitrag zur Dekarbonisierung des Energiesystems zu leisten. Durch technologische Fortschritte, etwa bei der Entwicklung von Enhanced Geothermal Systems (EGS), könnten künftig auch Regionen ohne natürliche Thermalwasservorkommen erschlossen werden. Bei EGS wird das Gestein in großer Tiefe künstlich durchlässig gemacht, indem Wasser mit hohem Druck eingepresst wird. Dadurch entsteht ein künstliches Reservoir, aus dem Wärme gewonnen werden kann.

In Kombination mit anderen erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne kann die Geothermie dazu beitragen, eine stabile und nachhaltige Energieversorgung zu gewährleisten. Während Wind- und Solarstrom wetterabhängig sind, liefert Geothermie kontinuierlich Energie und kann so Schwankungen ausgleichen. Für eine erfolgreiche Energiewende ist es daher sinnvoll, alle verfügbaren erneuerbaren Quellen zu nutzen – und die Geothermie verdient dabei besondere Aufmerksamkeit.