Geothermie

Geothermie: Nutzung von Erdwärme

Der Begriff Geothermie setzt sich aus den griechischen Worten geos = Erde, Land und thermos = Wärme zusammen und umfasst die unterhalb der Erdoberfläche in Form von Wärme gespeicherte Energie, die der Erde entzogen und genutzt werden kann. Die Wärme ist zum einen Restwärme, die bei der Entstehung der Erde erzeugt wurde und sehr langsam nach außen abgegeben wird, zum anderen entsteht sie durch den Zerfall natürlich vorkommender radioaktiver Elemente. In den oberen Schichten (bis max. 15 m Tiefe) kommt zusätzlich die Erwärmung durch die Sonneneinstrahlung hinzu. 

Die Erdwärme kann zum Beispiel zu Heizzwecken genutzt werden. Bei den in Brandenburg gegebenen geologischen Verhältnissen liegen die Temperaturen bis 100 m Tiefe je nach Standort bei etwa 8-12 °C. Dies ist für das Heizen mittels Wärmepumpe ausreichend. Da die Temperatur mit der Tiefe um durchschnittlich 3 K je 100 m zunimmt (s. Abbildung), können durch Tiefbohrungen aber noch weit höhere Temperaturen genutzt werden. 

Die geologischen Bedingungen für die Erdwärmenutzung sind im Land Brandenburg sehr gut bis gut. Die größtenteils in großer Mächtigkeit vorkommenden Lockersedimente sind gut wasserdurchlässig und weisen demzufolge eine gute Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität auf. Je höher diese beiden Werte sind, desto besser ist ein Standort für die geothermische Nutzung geeignet. Das geothermische Potenzial ist zudem auf Grund der in der Region zahlreich vorhandenen Erkundungsbohrungen auf Erdgas und Erdöl und darin durchgeführter Temperaturmessungen besonders gut dokumentiert.

Je nach genutzter Tiefe unterscheidet man zwischen oberflächennaher (bis max. 400 Meter) und tiefer (ab ca. 400 Meter) Geothermie. Die hohen Temperaturen in der Tiefe können direkt, d.h. ohne Wärmepumpe, zum Heizen genutzt werden. Des Weiteren besteht hier die Möglichkeit der Stromerzeugung durch Wasserdampf.

In Brandenburg steht die Nutzung der oberflächennahen Erdwärme für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung derzeit im Vordergrund. Diese Systeme sind gleichzeitig aber auch zum Kühlen geeignet. In diesem Fall wird die den Räumen entzogene Wärme in den Untergrund abgegeben und dort gespeichert.

Die Nutzung tieferer Schichten erfolgt zum Beispiel durch die Bade-Thermen Brandenburgs. Die Erzeugung von Strom mittels tiefer Geothermie befindet sich in Brandenburg noch im Forschungsstadium. 

Insgesamt verfügt Brandenburg noch über großes ungenutztes geothermisches Potenzial.

Nähere Informationen

Die ETI arbeitet eng mit der Wärmepumpeninitiative und deren Mitgliedern zur oberflächennahen Geothermie zusammen. Die Wärmepumpeninitiative richtete mehrfach ihre Jahrestagung in der IHK Potsdam aus. 

In Zusammenarbeit mit dem Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe etablierte die ETI ein Internetportal, mit dessen Hilfe Hauseigentümer/Hausherren die Eignung ihres Grundstücks für die Geothermienutzung schnell und einfach ermitteln können. (www.geo-brandenburg.de) 

Im Bereich der Tiefengeothermie kooperiert die ETI mit dem Geoforschungszentrum (GFZ) Potsdam.

Geothermieleitfaden Brandenburg

Ein Redaktionsteam aus Fachexperten unter der Leitung der ETI hat im Januar 2009 nach fast einjähriger Arbeit den Brandenburgischen Geothermieleitfaden fertig gestellt.

Unter dem Titel "Nutzung von Erdwärme in Brandenburg - Heizen und Kühlen mit oberflächennaher Geothermie: Ein Leitfaden für Bauherren, Planer und Fachhandwerker" informiert der Leitfaden auf 24 Seiten über Technologien, geologische Voraussetzungen, Planung und Einbau sowie Wirtschaftlichkeit und Fördermöglichkeiten für die Nutzung oberflächennaher Geothermie in Brandenburg.

Der Leitfaden kann hier heruntergeladen oder kostenlos bei der ETI bestellt werden.

Broschüre: Wärme aus Brandenburger Erde

Anwendungsmöglichkeiten und Versorgungspotenzial der Geothermie im Land Brandenburg

Die Geothermie ermöglicht heute ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Klimatisieren von Gebäuden aller Größenordnungen, vom Einfamilienhaus über große Gebäudekomplexe bis hin zu fernwärmeversorgten Stadtteilen. Je nach geologischen und technischen Voraussetzungen kommen im Land Brandenburg zahlreiche Standorte für eine geothermische Versorgung in Frage.

Die ETI-Arbeitsgruppe "Geothermie" hat für Investoren und Planer moderner Wärmeversorgungslösungen eine Orientierungshilfe zu den geothermischen Technologien, zur Standortbewertung sowie zur Wirtschaftlichkeit erstellt.

Den 6-seitigen Folder aus dem Jahr 2004 können Sie hier herunterladen: Download

Oberflächennahe Geothermie

Die Erschließung der Erdwärme aus Schichten bis 400 m Tiefe wird als oberflächennahe Geothermie bezeichnet. Aufgrund der hohen Kosten für tiefere Bohrungen nutzt der Großteil der Anlagen jedoch nur die oberen 100 m.

Bei der Nutzung der Erdwärme werden offene und geschlossene Systeme unterschieden. Bei offenen Systemen wird die Wärme des Grundwassers von der Wärmepumpe unmittelbar genutzt und in Heizwärme umgewandelt, bei geschlossenen Systemen fungiert eine in Rohren zirkulierende Flüssigkeit (Sole) als Zwischenglied für die Übertragung der Erdwärme an die Wärmepumpe. Da die Sole in den Rohrbündeln verbleibt und in einem Kreislauf immer wieder neu Wärme aufnimmt, wird dieses System als geschlossen bezeichnet.

Geschlossenes System - Erdwärmesonden

Quelle: BWP e.V.

Bei der Erschließung der oberflächennahen Erdwärme finden am häufigsten Erdwärmesonden Anwendung. Hierbei werden in Bohrungen von meist 25-100 m Tiefe Rohre (Sonden) verlegt, in denen eine Sole zirkuliert. Dieser Wärmeträger ist für gewöhnlich ein frostsicheres Wasser-Glykol-Gemisch.

Die in den Rohren zirkulierende Sole wird mittels Wärmetransport aus dem Erdreich erwärmt und gelangt dann mit einer Temperatur von etwa 8-12 °C (je nach geologischen Verhältnissen) zum Verdampfer der im Haus installierten Wärmepumpe. Hier wird die Wärme abgegeben. Da die Temperatur zum Heizen zu gering ist, muss sie durch die Wärmepumpe auf das für die Heizung oder die Warmwasseranlage notwendige Temperaturniveau (ca. 35-55 °C) angehoben werden. Für den Betrieb der Wärmepumpe wird elektrischer Strom verbraucht.

Die abgekühlte Sole fließt in den Rohren in die Erde zurück und kann dort wieder Wärme aufnehmen.

Erdwärmesonden sind sowohl einzeln als auch als Multisondensystem anwendbar. Für ein Einfamilienhaus mit etwa 14 kW Heizleistung benötigt man in der Regel 160-200 laufende Meter, verteilt auf mehrere Bohrungen, für Großbauten, ganze Siedlungen etc. entsprechend mehr. 

Vorteile:

  • Geringer Flächenverbrauch, überbaubar
  • Hoher Wirkungsgrad (JAZ bis 4,5), damit geringe Verbrauchskosten
  • Konstantes Temperaturniveau
  • Zuverlässige Technik mit langer Lebensdauer
  • Heizen und Kühlen sowie Speichern von Wärmeenergie möglich

Nachteile:

  • Vergleichsweise hohe Investitionskosten
  • Installation relativ aufwändig
  • Einschränkungen durch Grundwasserschutzmaßnahmen möglich

Geschlossenes System - Erdwärmekollektoren

Quelle: BWP e.V.

Erdwärmekollektoren funktionieren grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip wie die Erdwärmesonden. Im Unterschied dazu werden aber die Rohre, in denen die Sole zirkuliert, horizontal im Erdreich verlegt. Zum Schutz vor Gefrieren werden sie 20 cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze eingebracht. Anlog zu den Wärmesonden wird die von der Sole aufgenommene Wärmeenergie an die Wärmepumpe abgegeben, wo sie bei Bedarf noch auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden muss.

Erdwärmekollektoren nutzen vor allem die Sonnenenergie, die in den oberen Erdschichten das Temperaturniveau bestimmt. Bei der Planung der Anlage müssen die jahreszeitlichen Schwankungen der eingehenden Sonnenenergie berücksichtigt werden, denn gerade Zeiten mit erhöhtem Heizbedarf weisen ungünstige Temperaturen der Wärmequelle auf. Die dem Erdreich entnommene Wärme regeneriert sich durch den jahreszeitlichen Zyklus.

Nachteilig gegenüber den anderen Anlagen ist vor allem der große Flächenverbrauch. So ist für die Kollektoren eine Fläche zu berücksichtigen, die bis zu doppelt so groß ist wie die zu beheizende Fläche. Die Kollektoren dürfen zudem nicht überbaut werden. Wenn die Bodenverhältnisse es ermöglichen, können auch flächensparende Varianten wie Grabenkollektoren, Kapillarmatten, Erdwärmekörbe oder Spiralkollektoren zum Einsatz kommen.

Die Jahresarbeitszahl von Kollektoranlagen liegt unter optimalen Bedingungen bei bis zu 4.

Vorteile:

  • Nahezu überall nutzbar
  • Wärmeenergie ganzjährig verfügbar
  • Einfache Erschließung der Wärmequelle
  • Vergleichweise geringe Erschließungskosten
  • Hohe Lebensdauer

Nachteile:

  • Großer Flächenbedarf, Fläche nicht überbaubar
  • Wachstumsperiode von Pflanzen über dem Kollektor evtl. bis zu 2 Wochen verzögert

Offenes System - Grundwasser-Wärmepumpe

Bei der Grundwasser-Wärmepumpe entfällt die in Rohren zirkulierende Sole als Wärmeträger, hier wird das Grundwasser direkt genutzt. Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser erschlossen und durch eine Unterwasserpumpe direkt zur Wärmepumpe geleitet. Hier wird dem Grundwasser die Wärme entzogen und es erfolgt die für den Heizkreislauf notwendige Anhebung des Temperaturniveaus. Das abgekühlte Grundwasser wird über einen Schluckbrunnen in den Grundwasserleiter zurückgeführt. Wegen der direkten Nutzung des Grundwassers wird dieses System als offenes System bezeichnet. Die Brunnen müssen einen ausreichenden Abstand zueinander haben, da sonst das abgekühlte Wasser des Schluckbrunnens das Wärmeniveau im Förderbrunnen negativ beeinflussen kann.

Im Vergleich zu Wärmesonden kann durch Grundwasser-Wärmepumpen schon in geringerer Tiefe (10-50 m) ein vergleichsweise hohes und ganzjährig konstantes Temperaturniveau von 8-10 °C genutzt werden. Zudem entfallen die Wärmetauscherverluste der geschlossenen Systeme. Liegen oberflächennah geeignete Grundwasservorkommen vor, weist das offene System gegenüber Erdwärmesonden einen höheren Wirkungsgrad auf, und ist dann besonders wirtschaftlich.

Vorteile:

  • Geringer Flächenverbrauch
  • Höherer Wirkungsgrad als geschlossene Systeme (JAZ bis 5), geringe Verbrauchskosten
  • Ganzjährig konstantes und vergleichsweise hohes Temperaturniveau
  • Heizen und Kühlen möglich
  • Zuverlässige, unkomplizierte Technik

Nachteile:

  • Bau relativ aufwändig
  • Hohe Anschaffungskosten
  • Je nach Grundwasserqualität nur eingeschränkt nutzbar

Kühlen mit Geothermie

Neben dem Beheizen von Gebäuden, der am weitesten verbreiteten Nutzungsart von Erdwärme, eignet sich die Geothermie auch hervorragend zum Kühlen. Die Gebäudekühlung kann im Direktwärmetausch oder mit Hilfe einer Wärmepumpe realisiert werden Die Wärmepumpe läuft dann umgekehrt zum Heizbetrieb, analog zum Kühlschrank. Die Abwärme kann in die Erde geleitet, dort gespeichert und ggf. wieder genutzt werden.

Nutzung von Erdwärme mittels konstruktiver Betonbauten

Quelle: Franki Grundbau GmbH Co. KG

Die Gewinnung von Erdwärme kann auch über die gut wärmeleitfähigen unterirdischen Betonbauteile eines Gebäudes erfolgen. Dies ist vor allem für Großbauten interessant, da hier zur Gründung und Sicherung meist tief in den Untergrund reichende Betonkonstruktionen wie Gründungspfähle, Schlitz- oder Pfahlwände errichtet werden, auch Fundamentplatten sind geeignet. Ohne großen Mehraufwand werden hierbei Kunststoffrohre in die Betonteile verlegt, in denen ein Wärmetauscher (Sole) zirkuliert. Eine Wärmepumpe ist auch hier notwendig, um das gewünschte Temperaturniveau zu erreichen. Die Anlagen sind sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen geeignet, auch die Speicherung von Prozesswärme oder Wärme aus dem Kühlbetrieb ist möglich. Betonbauteile, deren Einbau bereits konstruktiv notwendig ist, werden so zu Energiepfählen,Energiebodenplatten oder Energieschlitzwänden.

Im Idealfall können so große Gebäude (Museen, Fabriken, Verwaltungsgebäude, Sportstätten etc.) im Sommer gekühlt und im Winter mit der beim Kühlen gewonnenen und gespeicherten Wärme beheizt werden. Weitere Anwendungsbeispiele sind Straßen und Brücken. Durch den Wärmeaustausch können im Sommer Hitze bedingte Verformungen verhindert und mit der gespeicherten Wärme im Winter Frostfreiheit erzielt werden.

Geothermienutzung in Deutschland

Die Nutzung oberflächennaher Geothermie hat in den letzten 5 Jahren in Deutschland stark zugenommen. Dies beweisen die Absatzzahlen für Wärmepumpen. Da seit 2009 bei Neubauten die teilweise Nutzung regenerativer Energien als Wärmequelle vorgeschrieben ist (EEWärmeeG), ist mit einem weiteren Anstieg der geothermischen Nutzung zu rechnen.

Geothermisches Potenzial in Brandenburg

Über die Verbreitung der oberflächennahen Geothermie in Brandenburg gibt es derzeit keine Zahlen. Die Nutzung nimmt aber wie in ganz Deutschland deutlich zu. Nach Aussagen des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP e.V.) reichen das energetische Potenzial der oberflächennahen Erdwärme und die geologischen Möglichkeiten für die thermische Versorgung von über 50 % der Einfamilienhäuser im Land. Auch Büro- und Gewerbebauten sind über Wärmepumpen beheizbar. Typische Leistungsbereiche sind ca. 5 bis 500 kW. 

Neben den Einfamilienhausbesitzern nutzt auch die öffentliche Hand bei ihren Bauten zunehmend Erdwärme zum Heizen. Beispiele sind das Max-Planck-Institut in Potsdam-Golm, das Kreishaus Barnim in Eberswalde, das Bürgerhaus Spremberg oder die Kita "Spatzennest" in Hennigsdorf.

Tiefengeothermie

Die Tiefengeothermie nutzt die Erdwärme in den tiefer als 400 m liegenden Schichten. Hier sind die nutzbaren Temperaturen höher, gleichzeitig steigt aber auch der Aufwand für die Erschließung stark an. Die hohen Temperaturen werden direkt zum Heizen genutzt oder zur Stromerzeugung.

Grundsätzlich kann die Nutzung analog zur oberflächennahen Geothermie über Erdwärmesonden erfolgen. In Prenzlau werden zum Beispiel etwa 550 Wohnungen durch eine tiefe Erdwärmesonde (2800 m) beheizt. Allerdings sind diese geschlossenen Systeme von der Effizienz her den offenen Systemen unterlegen. Als offene Systeme versteht man in der Tiefengeothermie die hydrothermalen und petrothermalen Systeme.

Hydrothermale Systeme

Quelle: BINE Informationsdienst

Bekannt ist die Nutzung hydrothermaler Systeme in den Bade-Thermen Brandenburgs. Sie nutzen tief liegende durchlässige, wasserführende Schichten mit hohen Temperaturen, wie sie in Brandenburg weit verbreitet sind. Diese Warm- und Heißwasserreservoire stellen ein großes Potenzial für die Wärmeversorgung dar.

Die wasserführende Formation wird über mindestens zwei Bohrungen, eine Förder- und eine Injektionsbohrung, erschlossen. Über die Förderbohrung wird das heiße Wasser (je nach Tiefe bis zu 100°C) an die Oberfläche gefördert und dort durch Wärmetausch und ggf. den Einsatz einer Wärmepumpe abgekühlt. Danach wird es über die zweite Bohrung zurück in den Ursprungshorizont injiziert. Die Bohrungen sind hierbei ca. 1.000 bis 2.500 m tief.

Hydrothermale Systeme eignen sich zur Beheizung von Gebäuden und zur Warmwasserbereitung eingebunden in Wärmenetze sowie zur Stromerzeugung. Der Leistungsbereich liegt typischerweise bei >1.000 kWh.

Petrothermale Systeme

Petrothermale Systeme finden bei nahezu wasserfreien Gesteinen Verwendung. Hierbei wird Wasser über natürliche und künstliche Risse durch das heiße Gestein gepumpt. Das Wasser dient hierbei als Wärmeträger, der die Energie aus der Tiefe nach oben befördert. Bei sehr heißen Gesteinen dient der erzeugte Wasserdampf zur Stromerzeugung.

Stromerzeugung mittels Tiefengeothermie

Bohrturm Groß Schönebeck, Quelle: GfZ

Die tiefe Geothermie hat großes Potenzial für die Stromerzeugung. Erdwärme ist rund um die Uhr verfügbar und damit grundlastfähig. Für die Wandlung von Wärme in Strom sind allerdings erheblich höhere Temperaturen als für die Wärmeversorgung erforderlich. Die Temperaturen sollten deutlich über 120°C liegen. Je höher die Temperatur, desto effizienter ist die Stromerzeugung. Die benötigten hohen Temperaturen werden erst in größeren Tiefen angetroffen. Zur Erschließung sind Tiefbohrungen erforderlich, die höhere Bohrkosten und Erschließungsrisiken mit sich bringen.

Liegen die Fördertemperaturen über 150 °C kann der Wasserdampf direkt zum Antrieb einer Turbine verwendet werden. Die in Deutschland vorherrschenden niedrigeren Temperaturen werden über das ORC- (Organic Rankine Cycle) oder  das Kalina-Verfahren zur Stromerzeugung genutzt. Hierbei wird die Wärme an einen schon bei geringeren Temperaturen verdampfenden Wärmeträger abgegeben. Der so erzeugte Dampf treibt dann eine Turbine an. Als Wärmeträger dienen z. B. Kohlenwasserstoffe, bestimmte Kältemittel, Pentan oder ein Ammoniak-Wasser-Gemisch.

In Unterhaching südlich von München wird seit 2009 im größten Erdwärmekraftwerk Deutschlands Strom erzeugt. Bereits seit 2007 wurde die Gemeinde Unterhaching über die beiden 3400 m tiefen Bohrungen mit Wärme versorgt. Durch das innovative Kalina-Verfahren wird nun mittels eines Ammoniak-Wasser-Gemisches auch Strom produziert.

Das GeoForschungsZentrum Potsdam entwickelt und testet im brandenburgischen Groß Schönebeck (Landkreis Barnim) neue Verfahren zur Erschließung der Erdwärme für die Stromerzeugung. Die beiden Forschungsbohrungen erschließen wasserführende Schichten in 3,9 bis 4,3 km Tiefe und fungieren als In-situ-Labor. Seit 2006 ist das Dublettensystem installiert, mit dem die langfristige Eignung als Kraftwerksstandort geprüft wird. Bei positiven Testergebnissen ist hier die Errichtung eines Geothermiekraftwerkes geplant.

Auch in Finowfurt bei Eberswalde soll ein Geothermiekraftwerk errichtet werden. Die ENRO Geothermie GmbH testet derzeit den Standort.

Die Bundesregierung plant den weiteren Ausbau der geothermischen Stromerzeugung auf ca. 280 MW Leistung bis zum Jahr 2020. Das ist das Vierzigfache der bisher installierten Leistung und entspricht etwa 50 Kraftwerken. Bis 2030 rechnet man sogar mit einer raschen Steigerung auf 850 MW.