Oberflächen­naheste Geothermie

Als oberflächen­naheste Geothermie wird die Nutzung der Erdwärme in der durch die Sonne beeinflussten Zone bezeichnet. Diese reicht in der Regel bis in ca. 10 m Tiefe und grenzt sich damit von der oberflächennahen Geothermie ab, bei der das Erdreich bis ca. 400 m Tiefe genutzt wird.

Mithilfe von Erdwärmekollektoren und einem darin zirkulierenden Wärmeträgermedium, das etwas kälter als das Erdreich ist, kann dem Erdreich Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau (0-20 °C) entzogen werden. Über ein Kaltes Nahwärmenetz wird die gewonnene Quellwärme dann zum Verbraucher geleitet. Um sie nutzbar zu machen, ist eine Wärmepumpe nötig, die mithilfe von elektrischer Energie die Temperatur auf das gewünschte Temperaturniveau für Heizung oder Trinkwassererwärmung anhebt. Mit einer Kilowattstunde Strom und der Quellwärme aus dem Erdwärmekollektor kann eine Wärmepumpe ca. vier Kilowattstunden Wärme auf dem gewünschten Temperaturniveau mit einer Kilowattstunde elektrischer Energie bereitstellen. 

Mithilfe von Erdwärmekollektoren wird dem Erdreich Wärme entzogen.

Unterscheidung geschlossene und offene Systeme 

Geschlossene Systeme 

Bei geschlossenen Geothermiesystemen wird über das Kollektorrohr nur Wärme übertragen; das Wärmeträgermedium kommt dabei nicht in direkten Kontakt mit dem Erdreich. Solche sogenannten oberflächen­nahesten Erdwärmekollektoren werden möglichst nah unter der Erdoberfläche, unterhalb der natürlichen Frostgrenze (typischerweise ab 1,20 m Tiefe), horizontal oder vertikal (Grabenkollektor)in das Erdreich eingebracht. Während der Heizperiode im Winter kühlt sich das Erdreich durch den Quellwärmeentzug um die Kollektoren ab. Dies kann im Sommer genutzt werden, indem das abgekühlte Erdreich zur Kühlung von Wohnräumen oder Prozessen dient. Durch die Kühlung wird zudem die natürliche Regeneration des Erdreichs durch Sonneneinstrahlung, Niederschlag oder Grundwasser unterstützt.

Oberflächen­naheste Erdwärmekollektoren werden möglichst nah unter der Erdoberfläche verlegt.

Eine weitere Form ist die Erdwärmesonde. Hierbei wird das Potenzial des Erdreiches nicht horizontal, sondern vertikal genutzt und bei oberflächennahen Systemen bis in eine Tiefe von 400 m gebohrt. Erdsonden sind ein platzsparendes und effizientes System, wenn der Einsatz am jeweiligen Standort durch die geologischen Gegebenheiten möglich ist. Auch hier zirkuliert ein Wärmeträgermedium, das dem Boden die Wärme entzieht. Anders als bei oberflächen­nahesten Erdwärmekollektoren bezieht die Erdwärmesonde die Energie nicht durch die Sonneneinstrahlung und den Niederschlag, sondern durch den terrestrischen Wärmestrom aus dem Erdinneren. Dieser Wärmestrom ist zwar deutlich kleiner als das Regenerationspotenzial der Sonne, liegt dafür aber konstant über das ganze Jahr vor.

Bei der Erdwärmesonde wird das Potenzial des Erdreiches vertikal erschlossen.

Offene Systeme 

Bei offenen Geothermiesystemen wird die Wärme direkt dem Medium entnommen. Bei einer Grundwasserwärmepumpe beispielsweise wird mit Hilfe eines oder mehrerer Brunnen Grundwasser angesaugt, dieses über einen Wärmetauscher geführt und mit einer die Wärmepumpe die Quellwärme entzogen, um es danach wieder über Schluckbrunnen, die in Fließrichtung des Grundwassers hinter den Saubrunnen angeordnet sind, dem Grundwasserfluss zurückzuführen. Genau wie bei dem geschlossenen System kann das Grundwasser im Sommer zur Kühlung genutzt werden. 

Bei der Tiefen Geothermie (Bohrung von einigen Hundert bis zu mehreren tausend Metern Tiefe) wird die Wärme aus tieferen Erdschichten mit Hilfe von Wasser oder Dampf an die Oberfläche befördert. Durch die deutlich höheren Temperaturen von >60 °C kann die Wärmeenergie direkt ohne eine Wärmepumpe genutzt werden. Bei noch höheren Temperaturen und der damit verbundenen Verdampfung des Wassers kann diese sogar zur Stromerzeugung genutzt werden. 

 

Bisher werden Erdwärmekollektoren vorzugsweise in ländlichen Gebieten oder am Stadtrand umgesetzt, da dort die benötigten Freiflächen zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund werden verstärkt Lösungsmöglichkeiten mit einem geringeren Flächenbedarf erforscht, so zum Beispiel im Forschungsvorhaben ErdEis II.

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