Erdwärme

Was ist Erdwärme – Geothermie?

In der Erdkruste verfügbare Wärme (Erdwärme) gewinnt als regenerativer Energieträger zunehmend an Bedeutung. Dabei liegt der Focus nicht nur auf der Nachhaltigkeit, sondern auf der inzwischen erreichbaren Effizienz bei Heiz- und Kühlprozessen im Zusammenspiel mit dem Wärme-Speichervermögen von Bodenschichten.

Begrifflich steht Geothermie einerseits für die ingenieurtechnische Nutzung der Erdwärme, andererseits in der angewandten Geophysik für die Betrachtung des Temperaturfeldes und der thermischen Prozesse im Untergrund.

Geothermisch nutzungsrelevant sind sowohl zeitlich veränderliche (instationäre) als auch zeitlich konstante (stationäre) Vorgänge.

Je nach geographischer Lage erfahren die oberflächennahen Bodenschichten periodische Aufheizungen durch Sonneneinstrahlung unterschiedlicher Intensität. Dies in zeitlich veränderlichen Tages- und Jahresgängen, abhängig von Sonnenstand und Bewölkung. Insbesondere den klimatischen Standortbedingungen entsprechend wird die Strahlungsenergie der Sonne unterschiedlich stark gespeichert und mit entsprechender Verzögerung wieder an die Atmosphäre abgegeben. Saisonal bedingte Temperaturschwankungen betragen in einer Tiefe von 2 m unter Gelände bis ca. 20 K und sind bei ca. 15 m Tiefe kaum mehr nachweisbar.

Unterhalb von ca. 15 m Tiefe spielt der als nahezu zeitlich konstant anzusehender Wärmestrom aus dem Erdinneren gegen die Erdoberfläche eine Rolle. Mit der Tiefe nimmt die Temperatur kontinuierlich zu (Temperaturgradient): In Deutschland im Mittel mit ca. 3 ° C auf 100 Tiefenmeter. Abhängig hauptsächlich von der Wärmeleitfähigkeit der Untergrundschichten sind unterschiedliche Temperaturgradienten möglich, die für den Ertrag (Entzugsleistung je Zeiteinheit) verantwortlich sind.

Prinzipiell wird unterschieden in oberflächennahe Geothermie und Tiefengeothermie. Oberflächennahe Geothermie findet bis in Tiefen bis zu ca. 400 m statt, während zur Nutzung heißer Gesteinsformationen in der Tiefengeothermie Bohrungen bereits bis in mehrere tausend Meter abgeteuft wurden.

Oberflächennahe Geothermie

Oberflächennahe Geothermie wird bei kleineren Anlagen genutzt, vom Einfamilienhaus (Leistung der Wärmepumpe WP < 10 kW) über Mehrfamilienhäuser und Wohnanlagen (WP > 30 kW) bis hin zu Großanlagen von Wohn-und Industriekomplexen. Letztendlich grenzt sich der Einsatz die oberflächennahe Geothermie in Untersuchungsaufwand, Anlagengröße und somit den Anlagenkosten gegenüber der Tiefengeothermie ab.

Da die mittlere Temperatur der oberflächennahen Bodenschichten zwischen ca. 7°-12° C (Deutschland) liegt, ist zur Nutzung für die Warmwasserbereitstellung / Heizung ein Wärmepumpensystem erforderlich. Mittels Wärmetauscher sind die benötigten Vorlauftemperaturen 30-40° C erreichbar. Höhere Vorlauftemperaturen sind möglich, verringern jedoch die Effizienz (kleinere Arbeitszahl).
Erdwärmeanlagen können gleichzeitig aber auch zur Kühlung eingesetzt werden.

Als Wärmeträgerflüssigkeit wird i. d. R. ein Wasser-Frostschutz-Gemisch (Ethylen oder Propylenglykol) eingesetzt. Damit wird die Frostsicherheit gewährleistet.