Gesamtpunktzahl: 15 Punkte Bearbeitungszeit: ca. 15 Minuten

Maximal: 6 Punkte

Der Prüfling beschreibt den Kreislauf einer Geothermieanlage:

1. Heißes Wasser wird aus tiefen Gesteinsschichten über eine Förderbohrung an die Oberfläche gepumpt. (2 Punkte)
2. Die Wärmeenergie wird im Wärmetauscher auf ein anderes System übertragen. (1 Punkt)
3. Die gewonnene Wärme kann zur Stromerzeugung oder Fernwärmeversorgung genutzt werden. (2 Punkte)
4. Das abgekühlte Wasser wird über eine Injektionsbohrung wieder in den Untergrund zurückgeführt. (1 Punkt)

• Energie wird nicht erzeugt, sondern umgewandelt (Energieerhaltung).
• Die Anlage arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf.

Maximal: 5 Punkte

Der Prüfling nennt jeweils zwei Vorteile und zwei Risiken und erläutert diese kurz.

• geringe CO₂-Emissionen, da keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden (1,5 Punkte)
• dauerhaft verfügbare Energiequelle, da Wärme aus dem Erdinneren kontinuierlich vorhanden ist (1,5 Punkte)
• unabhängig von Wetterbedingungen
• regionale Nutzung möglich

• Wasserverschmutzung durch austretende Stoffe (1 Punkt)
• Druck- oder Temperaturveränderungen im Untergrund (1 Punkt)
• Ablagerungen in Rohren und Anlagen
• mögliche Mikro-Erdbeben

Punkte werden vergeben, wenn:

• Vorteil oder Risiko korrekt benannt wird
• eine kurze physikalische oder technische Erklärung erfolgt

Maximal: 4 Punkte

Gegeben:

Temperaturgradient = 3 °C pro 100 m

Tiefe:

3000 m

3000 m = 30 × 100 m

Temperaturanstieg:

30 × 3 °C = 90 °C

Physiklehrer lieben Transferfragen. Dabei geht es nicht mehr nur um das Poster, sondern darum, ob das zugrunde liegende physikalische Prinzip verstanden wurde. Beim Thema Geothermie sind besonders drei Konzepte interessant:

• Energieumwandlung
• Wirkungsgrad
• Vergleich mit anderen erneuerbaren Energien

Hier sind drei typische Transferaufgaben mit Lösung, wie sie in einer Klausur vorkommen könnten.

Zeit: ca. 4 Minuten Punkte: 4

Aufgabe

Beschreibe die Energieumwandlungen bei der Stromerzeugung durch Geothermie.

Die Wärmeenergie aus dem Erdinneren erhitzt Wasser oder ein Arbeitsmedium.

1. thermische Energie (Erdwärme)
2. → Bewegungsenergie des Dampfes
3. → mechanische Energie der Turbine
4. → elektrische Energie im Generator

Zeit: ca. 4 Minuten Punkte: 4

Aufgabe

Erkläre einen wichtigen Unterschied zwischen Geothermie und Solarenergie.

Geothermie ist unabhängig vom Wetter und von Tageszeiten, da die Wärme im Erdinneren ständig vorhanden ist.

Solarenergie hängt dagegen von:

• Sonneneinstrahlung
• Tageszeit
• Wetterbedingungen

ab.

Zeit: ca. 4 Minuten Punkte: 4

Aufgabe

Warum kann Geothermie trotz Wärmeentnahme aus dem Erdinneren langfristig genutzt werden?

Die Wärme im Erdinneren wird ständig nachgeliefert durch:

• radioaktive Zerfallsprozesse im Gestein
• Wärme aus tieferen Erdschichten

Bei nachhaltiger Nutzung wird außerdem das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund gepumpt, wodurch ein Kreislauf entsteht.

Solche Fragen sind der klassische Moment, in dem ein Lehrer prüft, ob jemand das physikalische Prinzip wirklich verstanden hat. Beim Thema Geothermie lautet eine typische „fiese“ Frage etwa so:

Bearbeitungszeit: ca. 5 Minuten Punkte: 4

Aufgabe

Eine Geothermieanlage entzieht dem Untergrund über viele Jahre Wärme.

Erkläre, warum sich der Boden in der Umgebung einer Anlage lokal abkühlen kann und warum Geothermie trotzdem als nachhaltige Energiequelle gilt.

Durch den Betrieb der Anlage wird dem Gestein Wärmeenergie entzogen. Wenn mehr Wärme entnommen wird, als aus tieferen Erdschichten nachströmen kann, kann sich das Gestein lokal abkühlen.

In manchen Fällen kann sich dadurch sogar eine kältere Zone im Untergrund bilden.

Geothermie gilt dennoch als erneuerbare Energie, weil:

• im Erdinneren ständig neue Wärme entsteht (z. B. durch radioaktive Zerfallsprozesse)
• Wärme aus tieferen Erdschichten nachströmt
• das Wasser meist wieder in den Untergrund zurückgepumpt wird (Reinjektion)

Bei nachhaltiger Nutzung wird deshalb darauf geachtet, nicht mehr Wärme zu entnehmen als langfristig nachgeliefert wird.

Maximal: 4 Punkte

Diese Aufgabe prüft drei Dinge gleichzeitig:

• Energieerhaltung
• Wärmetransport im Gestein
• nachhaltige Nutzung von Ressourcen

Wer das versteht, hat das Thema Geothermie wirklich begriffen.