Mittwoch, 23. Februar 2011

Geothermie in Deutschland Teil 1: "Geothermische Energie aus unseren Vulkangebieten?"

Geothermie ist ein aktuelles Thema in den erneuerbaren Energien. So sind doch 99% der Erde heißer als 1000°C, man muss sie nur irgendwie erreichen können. Um mit der Geothermie Strom zu erzeugen brauch man mindestens 150°C heißes Wasser, diese Temperaturen werden in geologisch ruhigen Gebieten erst in über 5 km Tiefe erreicht und für die Kosten einer Bohrung zählt jeder Meter der eingespart werden kann.
Am naheliegensten währen also Gebiete, bei denen die Temperatur schon in geringeren Tiefen sehr hoch ist. Island, die Insel die ihre Energie außschließlich aus Geothermie gewinnt und sich damit autark versorgt, ist als Extrem anzusehen, dort gibt es viel Vulkanismus und hydrothermale Systeme die die Hitze der Magmakammern an die Erdoberfläche transportieren.
Währe es also anzunehmen, dass auch unter den jungen mitteleuropäischen Vulkangebieten die Erde heißer als normal ist und für einen Geothermiestandort in Frage käme? 
Die folgenden Abbildungen zeigen Schnitte durch die Erdkruste und ihre thermalen Zustände.
Modellieren wir die mitteleuropäische Lithosphäre, welche ca. 80 km mächtig ist und an ihrer Basis, der Grenze zur Asthenosphäre 1200°C erreicht. Das ergäbe einen geothermischen Gradienten von 15°C pro km. Die Folgende Abbildung zeigt nun die oberen 30 km der Lithosphäre (der Erdkruste) und ihren thermischen Zustand.
Der Geotherm ist linear und erreicht an der Basis der Kruste in 30 km Tiefe 450°C.
Man muss ziemlich tief bohren (Rot) um die erforderlichen 150°C für die Stromerzeugung zu erreichen, werden sie in diesem Modell doch erst in 10 km Tiefe erreicht.
 
Nun heizen wir dem Modell ein und fügen die typischen magmatischen Formen, eines monogenetischen Vulkanfeldes, welche sich durch kleine Intrusionen charakterisieren, über die Zeit hinzu.
Während der Aktivität eines Vulkanfeldes befindet sich an der Basis der Kruste eine flach ausgedehnte Magmakammer, die von kleinen Magmaschüben aus dem Erdmantel gespeißt wird.
Hin und wieder steigen auch Magmakammern bis auf 15-20 km Tiefe auf, da dort in der Kruste eine Barriere ist. Diese Barriere, die Conrad-Grenze, ist eine Grenzschicht zwischen der weichen, deformierbaren unteren Kruste, in die Magmen leicht eindringen können und der spröden oberen Kruste, die das eindringen von Magmen nur unter Bildung von Brüchen zulässt.
Die folgende Abbildung zeigt das Vulkanfeld nach ca. 200.000 Jahren, die Basis der Kruste ist sichtlich heißer geworden durch die rege magmatische Aktivität und die Conrad-Grenze wurde im Bereich der Intrusionen angehoben (rote Linie).
Der Wärmeherd in 15-20 km tiefe entstand durch zahlreiche kleine Intrusionen die sich in den vergangenen 200.000 Jahren ereignet haben und an der Conrad-Grenze steckengeblieben sind.
Vulkanische Aktivität an der Oberfläche wird durch nur meterdicke Dykes (vulkanische Fördergänge) gespeist und kann daher nicht modelliert werden (eine modellierte Zelle ist 1 km breit und hoch) fällt aber auch nicht sonderlich ins Gewicht, da so ein Gang sehr rasch in einem Zeitraum von Monaten bis Jahren abkühlt .
 Nun ist das Vulkanfeld fast 300.000 Jahre alt und die jüngeren Intrusionen wandern immer weiter hinauf da durch die freiwerdende Hitze auch die Conrad-Grenze in geringere Tiefen verlegt. Wieder erkennt man den Wärmedom der sich um die Intrusionen ausbildet.

Nun betrachten wir das geothermische Potential das sich ergibt, wenn das Vulkanfeld das Alter der Eifel erreicht, also ca. 600.000 Jahre.
Durch weitere Intrusionsvorgänge hat sich eine beträchtliche Menge an Wärme in der mittleren und unteren Kruste gesammelt. Lohnt es sich nun hier Geothermie zu betreiben?
Der Blick auf den Geotherm zeigt uns nun keinen linearen Anstieg mehr. Die Temperatur ist nun an der Basis der Kruste doppelt so hoch wie zu dem Zeitpunkt bevor die magmatische Aktivität begann. Die Temperatur macht hier sogar in einer Tiefe von 15 km, das Temperaturprofil ist links neben der jüngsten Intrusion, einen Bogen im verlauf.
Jedoch hat die Temperatur in 10 km Tiefe nach wie vor einen Wert von ca. 150°C, das Gebiet ist geothermisch gesehen also uninteressant! Selbst wenn an der Erdoberfläche nun hunderte Vulkane stehen!
 
Nehmen wir nun einmal den hypothetischen Fall an, dass die Hitze erst noch Zeit brauch um konduktiv bis zur Oberfläche zu Steigen. Es gibt ältere Vulkangebiete in Mitteleuropa die vielleicht intressanter für die Geothermie währen, da dort die Hitze vielleicht konduktiv schon aufgestiegen ist. Im folgenden Szenario kommt es nach dem erlöschen des Vulkanfeldes zur Abkühlung der Magmenkammern. Im Modell intrudierten in die mittlere Kruste ca. 50 km³ Magma und an der Basis wurden ca. 300 km³ durch underplating angelagert, was für ein kleines Vulkanfeld wie die Eifel durchaus realistisch ist.
15 Millionen Jahre älter als die Eifel entspricht dem mittleren Alter der nächst jüngeren Vulkanfelder in Deutschland. Nach erlöschen der magmatischen Aktivität hat sich die Wärme der intrudierten Magmen fast homogen unter dem Vulkangebiet verteilt, ein schwacher, aber ausgebreiteter Wärmedom ist noch erkennbar.
Der Geotherm ist nun fast wieder linear. Die Temperatur an der Basis der Kruste hat wieder ihren ursprünglichen Wert von 450°C, in 10 km liegt sie nun bei 160°C, ist also nur um 10°C erhöht!
Uns hat dieses Modell gezeigt, dass sich in einem kleinen Vulkanfeld, keine nennenswerte Temperaturanomalie ausbildet, die für die geothermische Nutzung erschließenswert währe.

Modelling Program:
Wohletz, K.H., 1999, KWare Heat3D  software for multithreaded, 3-D,
heterogeneous heat flow simulation. Los Alamos National Laboratory Computer
Code LA-CC 99-27 (http://geodynamics.lanl.gov/Wohletz/Heat.htm), Los Alamos
New Mexico.

Videozusammenschnitt der Vulkanfeldentwicklung: http://rapidshare.com/files/449350436/Evolution.avi
Das Video zeigt die Entwicklung des Modells mit magmatischen Intrusionen und die darauffolgende Abkühlung.

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