Geothermie

1. Was ist das?

In Deutschland wird hauptsächlich oberflächennahe Geothermie genutzt. Oberflächennahe Geothermie bezeichnet die im oberflächennahen Erdreich bis zu einer Tiefe von 400 Metern gespeicherte Wärme. Um die Wärme des Erdreichs zu nutzen, gibt es zwei verbreitete Möglichkeiten. Bei einem Oberflächenkollektor werden Kunststoffschläuche flächendeckend in einer Tiefe bis ca. 4 m verlegt. Durch diese Schläuche wird ein Wasser-Glykol-Gemisch gepumpt, um die Wärme des Bodens aufzunehmen.  Bei einer Erdsonde wird eine senkrechte Bohrung mit bis zu 400 m Tiefe erstellt und über eine U-förmige Rohrleitung das Wärmeträgermedium in die Tiefe und wieder an die Oberfläche gepumpt.

Diese Energiequellen sind zu kalt, um sie zum Heizen von Gebäuden unmittelbar nutzen zu können, weshalb Wärmepumpen eingesetzt werden.

Eine Wärmepumpe entzieht einer Wärmequelle auf niedrigem Temperaturniveau Energie, die sie auf ein höheres Temperaturniveau anhebt („pumpt“) und dann zum Beispiel an das Heizsystem eines Gebäudes abgibt. Hierfür wird ein Arbeitsmedium (auch Kältemittel genannt) über vier Funktionseinheiten im Kreislauf geführt: Im Verdampfer nimmt das flüssige Arbeitsmedium die erforderliche Verdampfungswärme aus der Umgebung auf und geht in den gasförmigen Zustand über. Der Verdichter bringt das aufgewärmte, gasförmige Arbeitsmedium auf einen höheren Druck und erhöht damit dessen Temperatur auf ein nutzbares Niveau. In der Regel treibt ein Elektromotor den Verdichter mechanisch an. Gasmotoren und sogenannte „thermische Verdichter“, die mit Erdgas, Fern- oder Abwärme angetrieben werden, sind noch selten anzutreffen. Der Verflüssiger (Kondensator) überträgt die Wärme als Nutzwärme an das Heizungswasser. Dabei gibt das gasförmige Arbeitsmedium Wärme ab und kondensiert (es wird wieder flüssig). Danach entspannt das Expansionsventil das nun flüssige, aber noch unter Druck stehende Arbeitsmedium. Dadurch kühlt es sich weiter ab und strömt wieder in den Verdampfer. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

2. Wo ist der Einsatz sinnvoll?

Ländern mit vulkanischen Aktivitäten wie Island fällt es leichter, Erdwärme zu nutzen als etwa Deutschland. In Island sind große Kraftwerke in Betrieb, die mit Erdwärme Strom erzeugen. Solche Kraftwerke gibt es in Deutschland auch, sie sind aber deutlich kleiner.

Geothermie wird in Deutschland keine große Rolle für die Stromproduktion spielen. Potenzial hat es in Sachen Wärme. Die Nutzung von Erdwärme kann überall da sinnvoll sein, wo das Wärmepotential des Bodens hoch ist. Dies wird durch die Wärmeleitfähigkeit des Bodens, die Feuchte des Bodens sowie mögliche Grundwasserströmungen beeinflusst.

Um das Wärmepotential des Bodens abzuschätzen, sollte in der Regel ein sogenannter Thermal Response Test durchgeführt werden.

3. Wie nachhaltig ist es?

Wie sehr der Betrieb von Wärmepumpen die Umwelt entlastet oder belastet, hängt zunächst davon ab, wie viel Strom bzw. Brennstoff eine Wärmepumpe benötigt. Dies ergibt sich über die Jahresarbeitszahl. Die eigentliche Umweltbelastung verursachen dann die Erzeugung und Bereitstellung des Stromes bzw. das Verbrennen des Brennstoffes.

Weitere Treibhausgasemissionen entstehen, wenn treibhausgaswirksame Arbeitsmittel entweichen, welche Wärmepumpen enthalten. Besser ist es, klimafreundliche Alternativen zu verwenden, z.B. Propan (R290).

Die Umweltwirkung oberflächennaher Geothermie auf das Grundwasser ruft bei Einhaltung der einschlägigen technischen Regeln keine dauerhafte Beeinträchtigung der Grundwasserqualität hervor.

4. Wer sollte für diese Lösung einbezogen werden?

Für die Versorgung von Neubaugebieten oder städtischen Bereichen sollte Kontakt zu den örtlichen Stadtwerken aufgebaut werden. Außerdem sollten für die Ausführung der Bohrungen die entsprechenden Behörden (Bergbau, Wasserschutz, etc.) am Prozess beteiligt werden.

Des Weiteren ist es möglich Wärme, die im Sommer zu viel produziert wird, über die Erdwärmesonden im Erdreich einzuspeichern und das Sondenfeld so zu regenerieren. Hierfür kann es interessant sein, nach nahegelegenen Abwärmeproduzenten zu schauen. Die Abwärme für die Regeneration des Sondenfelds zu nutzen, ist vor allem sinnvoll, wenn sich dieses auf einem niedrigen Temperaturniveau bewegt und somit nicht zum direkten Heizen geeignet ist.

5. Stand der Technik

Die Jahresarbeitszahl gibt das Verhältnis der im Laufe eines Jahres abgegebenen Wärmemenge bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie (beide in Kilowattstunden – kWh) für den Antrieb der Wärmepumpe einschließlich Verdichter und Hilfsantriebe an. Je höher die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe ist, desto energieeffizienter, umweltfreundlicher und kostengünstiger arbeitet sie – und umgekehrt.

Feldtests aus den vergangenen Jahrzehnten haben gezeigt, dass die Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen stark schwanken. So gibt es einige Anlagen, die eine besonders hohe Energieeffizienz erreichen, während andere mit geringer Energieeffizienz arbeiten. Die Unterschiede werden auch von Gebäuden, in denen die Wärmepumpen installiert sind, bedingt: in Neubauten mit überwiegend Fußbodenheizung oder in Altbauten mit überwiegend Heizkörperheizung. Erdwärmepumpen weisen eine Jahresarbeitszahl von 3,2 bis 4,3 in Neubauten (gesamte Spannbreite 2,0 bis 5,4) und in Altbauten von 2,9 bis 3,3 (gesamte Spannbreite 2,2 bis 4,2) auf. Die Arbeitszahlen von Grundwasser-Wärmepumpen fallen durch den hohen Energieaufwand für die Grundwasserpumpe etwas niedriger aus, als die gut geeignete Wärmequelle erwarten lässt, und sind etwa mit Erd-Wärmepumpen vergleichbar.

6. Beispiele

Neben dezentralen Erdwärmebohrungen ist die zentrale Erschließung mit Geothermie und Wärmepumpen möglich. So soll z.B. in der Stadt Warendorf ein Neubaugebiet mit bis zu 500 Wohneinheiten erschlossen werden. Die Stadtwerke wollen dort die Kunden über ein kaltes Nahwärmenetz mit Wärme versorgen.  Dafür wird über Sondenfelder zentral Erdwärme gewonnen und über ein Rohrleitungsnetz den Wärmekunden bereitgestellt. In den angeschlossenen Häusern steht jeweils eine Wärmepumpe, welche die Temperatur auf das benötigte Niveau anhebt.

Insgesamt werden in Deutschland mit Geothermie umgerechnet 650.000 Zweipersonenhaushalte mit Wärme versorgt.