Geothermische Energie


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<img class=“wp-image-4413″ style=“width: 25px;“ src=“https://taskforce.wiefm.eu/wp-content/uploads/2022/01/01_Icon_Was_50px_weiss.png“ alt=““> Was ist das?

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. Im Sommer können Sie ebenfalls zur Kühlung genutzt werden, was auch der thermischen Regeneration der Bodenschichten zugutekommt.

Prinzip einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe entzieht einer Wärmequelle auf niedrigem 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. Weitere Informationen finden Sie im Eintrag zu den elektrischen Wärmepumpen.

Neben der Gewinnung von Wärme über die zuvor beschriebenen geschlossenen Systeme können die oberflächennahen Erdschichten auch zur Speicherung von Wärme und Kälte mit sogenannten offenen Systemen genutzt werden. Vor allem in den Niederlanden werden immer öfter Aquiferspeicher-Systeme eingesetzt, im niederländischen Warmte-Koude-Opslag (WKO), also zu Deutsch Wärme-Kälte-Speicher, genannt. Mehr Informationen finden Sie unter dem Eintrag Aquifer­speicher (WKO).

Wärme aus Erdschichten unterhalb von 400 Metern bezeichnet man in Deutschland als tiefe Geothermie, wobei hier wegen der begrenzten Nutzung im Bereich der Gebäudebeheizung nicht weiter darauf eingegangen wird. Grundsätzlich liegt der Vorteil bei tiefen Bohrungen aber darin, dass die Temperatur mit zunehmender Tiefe steigt. Angemerkt sei darüber hinaus, dass in den Niederlanden bis zu einer Tiefe von 500 Metern von „Bodemenergie“, also „Bodenenergie“ gesprochen wird, was unserer oberflächennahen Geothermie entspricht. Unterhalb von 500 Metern spricht man in den Niederlanden dann erst von „Geothermie“ und unterteilt diese weiter in „Ondiepe Geothermie“ (also etwa „flache Geothermie“) von 500 bis 1.500 Metern Tiefe und in „Diepe Geothermie“ (also „tiefe Geothermie“) ab 1.500 bis 4.000 Metern.

<img class=“wp-image-4415″ style=“width: 25px;“ src=“https://taskforce.wiefm.eu/wp-content/uploads/2022/01/02_Icon_Wo_50px_weiss.png“ alt=““> Wo ist der Einsatz sinnvoll?

Wo ist der Einsatz sinnvoll?

Die Energie des Bodens kann fast überall eingesetzt werden. 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.

In Trinkwasserschutzgebieten ist eine geothermische Nutzung nicht oder nur unter bestimmten Auflagen erlaubt. Grundsätzlich sollte durch eine Voranfrage bei der Unteren Wasserbehörde Ihres Kreises bzw. Ihrer kreisfreien Stadt ermittelt werden, ob eine Erd­wärme­bohrung zulässig ist. Entsprechende Regelungen gelten in Heil­quellen­schutz­gebieten. Eine erste Übersicht für NRW über Wasserschutzgebiete sowie die thermische Ergiebigkeit und Eignung für Erdwärme-Nutzungen liefert das Tool Standortcheck des Geologischen Dienstes NRW.

Um das Wärmepotential des Bodens bei einem konkreten Vorhaben abzuschätzen, sollte in der Regel ein sogenannter Thermal Response Test im Rahmen der Detailplanung durchgeführt werden.

<img class=“wp-image-4417″ style=“width: 25px;“ src=“https://taskforce.wiefm.eu/wp-content/uploads/2022/01/03_Icon_nachhaltig_50px_weiss.png“ alt=““> Wie nachhaltig ist es?

Wie nachhaltig ist es?

Die Energie aus dem Erdreich ist zunächst einmal eine erneuerbare Energiequelle, da Umgebungswärme genutzt wird, welche sich u. a. durch die Sonneneinstrahlung regeneriert. Bei der Erdwärme-Nutzung handelt es sich um eine Variante einer vollelektrischen Lösung für nachhaltige Wärme. 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.

<img class=“wp-image-4419″ style=“width: 25px;“ src=“https://taskforce.wiefm.eu/wp-content/uploads/2022/01/04_Icon_Akteure_50px_weiss.png“ alt=““> Wer ist beteiligt?

Wer ist beteiligt?

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.

<img class=“wp-image-4421″ style=“width: 25px;“ src=“https://taskforce.wiefm.eu/wp-content/uploads/2022/01/05_Icon_Technik_50px_weiss.png“ alt=““> Stand der Technik

Stand der Technik

In Deutschland sind mit Stand 2020 über 440.000 geschlossene Anlagen zur Nutzung oberflächennaher Geothermie (zum Beispiel Erdwärmesonden oder -kollektoren in Verbindung mit Wärmepumpen) mit in Summe ca. 4.400 MW Leistung in Betrieb.

Bei Wärmepumpen gibt die Jahresarbeitszahl 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.

<img class=“wp-image-4423″ style=“width: 25px;“ src=“https://taskforce.wiefm.eu/wp-content/uploads/2022/01/06_Icon_Beispiel_50px_weiss.png“ alt=““> Beispiel-Projekte

Beispiel-Projekte

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.
  • Im niederländischen Etten-Leur wird ein bestehendes Wohngebiet mit 600 Wohnungen mit Hilfe von Erdwärme beheizt. Mehr dazu erfahren Sie in dem Artikel von BinnenlandsBestuur.
  • Im niederländischen Delft werden neue Wohnsiedlungen mit geschlossenen Bodenenergieanlagen gebaut. Ein Beispiel dafür ist die neue Wohnsiedlung Schoemaker Plantage.

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