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.

Die ETI wird finanziert aus Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Energie des Landes Brandenburg und der Industrie- und Handelskammer (IHK) Potsdam.