Erschließungsmöglichkeiten der Erdwärme

Erde; Foto: Shutterstock

Unter oberflächennaher Geothermie wird die Erschließung der Erdwärme in der oberen Erdhülle bezeichnet. Die Wärme in Bodenschichten bis etwa zehn Metern unter der Oberfläche ist dabei stark von der Lufttemperatur an der Erdoberfläche abhängig und unterliegt damit jahreszeitlichen Schwankungen. Ab einer Tiefe von 15 Metern sind die Erdtemperaturen hingegen das ganze Jahr über konstant und nehmen je 100 Meter Tiefe um etwa drei Grad zu. Durch den Einsatz von Wärmepumpen können die relativ geringen Temperaturen der Erdwärme auf ein für Heizzwecke nötiges Temperaturniveau angehoben werden. Um die Wärme aus dem Erdreich auf die Wärmepumpe zu übertragen, finden zwei Erschließungsmöglichkeiten Anwendung: Erdsonden und Erdkollektoren.

Erdsonden
Erdwärmesonden nutzen die konstanten Temperaturen des Erdbodens in Tiefen zwischen 40 und 100 Metern. Hierbei werden entsprechend des Heizbedarfs und der Bodenbeschaffenheit ein bis zwei Sonden (Einfamilienhaus) vertikal in das Erdreich eingebracht. Aufgrund der hohen Kosten für die Bohrungen sind Tiefen, die über die 100 Meter Marke hinausgehen, für die oberflächennahe Geothermie eher selten. Das Temperaturniveau liegt ab 15 Metern bei konstanten zehn Grad und nimmt mit der Tiefe der Bohrung entsprechend zu. Diese relativ niedrige Temperatur wird von dem in der Erdsonde zirkulierenden Kältemittel aufgenommen und an die Wärmepumpe geleitet.

Erdkollektor
Erdkollektoren nutzen die im oberen Erdreich, unterhalb der Frostgrenze gespeicherte Wärme aus, die hauptsächlich von der Sonneneinstrahlung und den Niederschlagstemperaturen, beziehungsweise der Lufttemperatur abhängig sind. Hieraus resultieren entsprechend jahreszeitliche Temperaturunterschiede. Erdkollektoren werden als spiralförmig angeordnetes Rohrsystem, durch das das Kältemittel als Wärmeträger zirkuliert, in Tiefen zwischen 1,20 und 1,50 Metern horizontal in den Erdboden eingebracht. Der Platzbedarf ist aufgrund der Erschließungsweise im Vergleich zu Erdwärmesonden relativ hoch, als Faustregel kann etwa die doppelte zu beheizende Fläche als Kollektorfläche gerechnet werden. Abhängig von der Bodenbeschaffenheit ist die Speicherfähigkeit des Erdbodens anzusehen, je schwerer und feuchter der Erdboden beschaffen ist, desto höher ist die Speicherfähigkeit.

Arbeitsweise Wärmepumpe
Entsprechend der gewählten Variante zirkuliert eine Trägerflüssigkeit (Sole) innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs der Erdsonde oder der Kollektoren. Die Erdwärme wird von der Sole aufgenommen und an die Wärmepumpe abgegeben. Das im Heizkreislauf zirkulierende, hochreaktive Kältemittel wird durch die in der Wärmepumpe der Sole entzogene Wärme „vorgewärmt“. Durch Druck wird der Aggregatzustand des Kältemittels innerhalb des Verdichters verflüssigt, wodurch die Temperatur weiter ansteigt. Innerhalb des Wärmetauschers wird diese Wärmenergie dann an das Heizsystem abgeben, um Heizung und Brauchwasser entsprechend zu temperieren. Durch diesen Vorgang kühlt das Kältemittel wieder ab und erreicht seinen ursprünglichen, flüssigen Aggregatzustand. Der jetzt noch vorhandene Druck wird über ein Expansionsventil langsam wieder abgebaut und der Kreislauf beginnt von vorne.

Judith Schomaker

4 Bemerkungen

  • In Sachen Erdwärem bin ich kein Spezialist; beim Thema Energiewirtschaft habe ich meine Erfahrungen.
    Meine Frage an die Erdwärme-Experten:
    1. bekanntlich hat “alles” seinen Preis; auch die Erdwärme. Hat man sich Gedanken darüber gemacht, welche Folgen eine flächendeckende Erdwärmenutzung mit sich bringt? Bislang ist der Wärmehaushalt der Erde im Gleichgewicht. Was aber wenn weltweit die Erde bis 100 m tief angebohrt und die Wärme entzogen wird?
    2. Gibt es Überlegungen, der Erde die entzogene Wärme – z.B. in Sommermonaten wieder zuzuführen?
    3. Kann man sicher stellen, dass so ein Desaster wie in Staufen oder im Raum Basel nicht wieder passiert?

    Über eine fachkundige Auskunft wäre ich dankbar.

    sonnige Grüße
    Dieter Walde

  • Sehr geehrter Herr Walde
    Auch eine “flächendeckende” Wärmenutzung vermag den Untergrund nicht nachhaltig auszukühlen, da das Wärmepotential des Erdkörpers die Entnahme um Größenordnungen übersteigt. Es kann jedoch vorkommen, dass bei unsachgemässem Betrieb oder falscher Dimensionierung der unmittelbare Nahbereich einer EWS einfriert (Permafrost).
    Wärmeentnahme aus dem Grundwasser ist ein noch ein bisschen komplizierter, da es sich ja um ein “mobiles” Medium handelt, dessen Beeinflussung durchaus die sog. Rechte Dritter (z.B. den Nachbarn) tangieren können.
    Moderne EWS-Anlagen geben durchaus während der Sommermonate Abwärme in den Untergrund zurück und erzielen so einen hervorragenden Speichereffekt.
    “Vor der Hacke ist es duster”: das gilt auch für Tiefbohrungen. Eine seriöse und situationsgerechte Abschätzung der geologischen Gefährdungsbilder gehört auf jeden Fall zur Vorbereitung einer EWS-Bohrung.
    Freundliche Grüsse
    F. Fuchs

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