Oberflächennahe Geothermie
Stand: April 2024
Die Nutzung der Erdwärme aus bis etwa 400 Meter Tiefe wird als oberflächennahe Geothermie bezeichnet. Die Wärme der Erde an der Oberfläche beruht auf der von der Sonne eingestrahlten Energie sowie der aus der Tiefe kontinuierlich nachströmenden Energie aus dem Kern der Erde. Die Wärme wird über die Erdoberfläche an die Atmosphäre abgegeben.
Die jahreszeitliche Beeinflussung der Temperatur an der Oberfläche wirkt sich auch auf die Temperatur des Untergrunds aus. Ab etwa 15 Metern Tiefe liegt die Temperatur des Untergrunds über das Jahr gesehen konstant bei 8 bis 12 °C. Je 100 m steigt die Temperatur im Untergrund in Mitteleuropa um etwa 3 K. Folglich ist in einer Tiefe von 400 Metern eine Temperatur von etwa 20 °C möglich. Mit geeigneten Systemen kann dem Untergrund Energie entzogen werden. Diese oberflächennahen, geothermischen Nutzungen reichen von wenigen Metern bis hin zu mehreren 100 Metern.
Notwendige technische Anlagen
Eine technische Anlage zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie besteht meist aus einem in den Untergrund eingebrachten Wärmetauscher. Dieser Wärmetauscher entzieht dem Untergrund thermische Energie und stellt sie über ein Medium zur Verfügung. Nur in den seltensten Fällen wird diese dem Erdboden entzogene Energie direkt genutzt, beispielsweise zur Temperierung von Verkehrsflächen oder für die Eisfreihaltung von Weichen im Schienennetz. In der Regel wird die Energie aus dem Untergrund an eine Wärmepumpe übergeben und von dieser auf ein höheres Temperaturniveau für die Haus- oder Gebäudetechnik gebracht.
Mit den in den Untergrund eingebrachten Wärmetauschern kann im Sommer aber auch die Kühlung eines Gebäudes realisiert werden. In diesem Fall durchströmt das Medium einen zusätzlichen Wärmetauscher, nimmt darüber die Wärme des Gebäudes auf und führt sie an den Untergrund ab. Die Wärmepumpe ist in dieser Betriebsphase nicht erforderlich und kann für die Zeit, in der eine Kühlung des Gebäudes erforderlich ist, abgeschaltet werden.
Für die Nutzung der oberflächennahen Geothermie sind technische Anlagen als geschlossene oder offene Systeme möglich:
- Die in den Untergrund eingebrachten Wärmetauscher gehören zu den geschlossenen Systemen. Das sind beispielsweise U-Sonden oder Doppel-U-Sonden, Koaxial-Sonden, Phasenwechselsonden, Bohrpfahlkollektoren, Grabenkollektoren, Erdwärmekörbe sowie horizontale Kollektoren. In den geschlossenen Systemen kommt als Wärmeträgerflüssigkeit meist eine sogenannte Sole zum Einsatz. Das ist Wasser, das durch den Zusatz von Salzen oder Frostschutzmitteln auch einen Wärmeentzug aus dem Boden um den Gefrierpunkt des Wassers ermöglicht. Prinzipiell ist natürlich auch der Betrieb mit reinem Wasser möglich. Dann muss allerdings eine Vereisung unbedingt vermieden werden.
- Falls die Verhältnisse es erlauben, ist auch eine direkte Nutzung des Grundwassers oder Oberflächenwassers möglich. Solche offenen Systeme sind Grundwasserbrunnen, Aquifer-, See-, Fluss- oder Ozeanwassersysteme.
Geschlossene und offene Systeme können auf die Nutzung für einzelne Gebäude, Gebäudekomplexe oder auf Quartiere skaliert werden. Weitere Nutzungsmöglichkeiten können sich auf Grubenwasser, Tunnelwasser oder Abwasser beziehen.
Nachfolgend werden einzelne technische Möglichkeiten detaillierter erläutert:
Hinweis für Planung und Ausführung
Die Definition einer Schnittstelle zwischen der Anlage im Boden zur Erschließung der Quelle und der Anlage im Gebäude ist wichtig, um die Arbeit der Gewerke voneinander zu trennen und Verantwortlichkeiten festzulegen. Daher ist es sinnvoll die Schnittstelle an der Außenseite des Gebäudes oder am Übergabeschacht der Quelle an die Gebäudetechnik festzulegen. Die Wärmepumpe gehört bereits zur Gebäudetechnik, weshalb der erste Wärmetauscher der Wärmepumpe als Schnittstelle nicht sinnvoll ist.
Wirtschaftlichkeit oberflächennaher Geothermie
Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit einer geothermischen Anlage zur Temperierung von Gebäuden ist eine fachübergreifende Planung. In diese Planung müssen die geotechnischen und geothermischen Parameter des Untergrunds sowie das haustechnische Nutzungskonzept und die Parameter des Gebäudes mit einbezogen und aufeinander abgestimmt werden. Es bedarf eines integralen Ansatzes, der auf den kompletten Lebenszykluskosten des Projekts basiert und auch die Investitions-, Betriebs- und Kapitalkosten berücksichtigt.
Mit geschlossenen Systemen und Sole-Wasser-Wärmepumpen lassen sich üblicherweise Jahresarbeitszahlen um vier im reinen Heizbetrieb erreichen. Mit einer Kilowattstunde Strom können also vier Kilowattstunden Wärme bereitgestellt werden. Mit offenen Systemen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen können Jahresarbeitszahlen von etwa fünf erreicht werden. Falls ergänzend der Kühlbetrieb berücksichtigt wird, liegen die Jahresarbeitszahlen deutlich höher.
Informationen zum möglichen Potenzial oberflächennaher Geothermie
Das geothermische Potenzial ist abhängig von den geotechnischen, hydrogeologischen und technischen Randbedingungen. Wichtige Informationsquellen sind die von den jeweiligen geologischen Landesämtern oder anderen Institutionen bereits erstellten Potenzialstudien oder Energienutzungspläne. GIS-Systeme können Informationen aufgelöst nach Tiefe zu einer möglichen Entzugsleistung, zur Bodenbeschaffenheit, zum Wassergehalt aber auch zu der Fließgeschwindigkeit des Grundwassers liefern.
Roadmap Oberflächennahe Geothermie
Erdwärmepumpen für die Energiewende – Potenziale, Hemmnisse und Handlungsempfehlungen
