Wärmequellen

Je nach Standortbedingungen und Wärmebedarf eignen sich verschiedene Lösungen zur nachhaltigen Wärmeversorgung eines Quartiers. Dabei kann Wärme der Umwelt (Erdreich, Gewässer, Luft, …) entzogen, oder Abwärme (Abwasser, Serverkühlung, …) erneut genutzt werden. Bei der Nutzung von Umweltwärme wird die entzogene Energie durch natürliche Prozesse, wie zum Beispiel Sonneneinstrahlung oder Niederschlag, wieder regeneriert. Somit sind diese Wärmequellen – nach menschlichem Ermessen – als unerschöpflich zu bezeichnen. Eine Auswahl davon ist im Folgenden aufgelistet:

Einlagiger Erdwärmekollektor

Nutzung der thermischen Energie des oberflächennahesten Erdreichs
Verlegung eines horizontalen Erdwärmekollektors in ca. 1 - 1,5 m Tiefe (je nach natürlicher Frosteindringtiefe)
Aufnahme der thermischen Energie durch ein Frostschutzmittel (auf Glykol- oder Alkohol-Basis), das durch die Rohre des Kollektors strömt
Anhebung auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpe(n)
Vorteil:
- Verlegung sowohl in der Freifläche als auch unter überbauten Flächen

Herausforderung:
- bei Einsatz unter Gebäuden: Betrieb primär als saisonaler Wärmespeicher und nicht als reine Wärmequelle, da im Sommer eine aktive Regeneration nötig ist
- Sicherstellung, dass keine Vereisung erfolgt

Doppellagiger Erdwärmekollektor

Nutzung der thermischen Energie des oberflächennahesten Erdreichs
Verlegung eines horizontalen Erdwärmekollektors in zwei Ebenen in ca. 1 – 4 m Tiefe
Abstand der beiden Ebenen, je nach Bodenverhältnissen: 1 – 2 m
Aufnahme der thermischen Energie durch ein Frostschutzmittel (auf Glykol- oder Alkohol-Basis), das durch die Rohre des Kollektors strömt
Anhebung auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpe(n)

Vorteil:
- Verringerung des Flächenbedarfs durch höheren Wärmeentzug pro m² Freifläche
Herausforderung:
- Einschränkung der natürlichen Regenerationsprozesse der unteren Ebene, wodurch gegebenenfalls eine aktive Regeneration im Sommer nötig ist (bspw. durch Kühlung der Gebäude); gleichzeitig potenzieller Vorteil, da das Kühlpotenzial im Sommer länger zur Verfügung steht

Erdeisspeicher

Nutzung der thermischen Energie des oberflächennahesten Erdreichs; zusätzlich stärkere Nutzung von freigesetzter Energie bei Vereisung des im Erdreich befindlichen Wassers
Verlegung eines horizontalen Erdwärmekollektors in mehreren Ebenen in ca. 1 - 5 m Tiefe
Abstand der beiden Ebenen, je nach Bodenverhältnissen: 1 - 2 m
Nutzung großer Mengen an thermischer Energie durch kontrolliertes Einfrieren des Erdreichs um die Kollektorschichten herum
Aufnahme der thermischen Energie durch ein Frostschutzmittel (auf Glykol- oder Alkohol-Basis), das durch die Rohre des Kollektors strömt
Anhebung auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpe(n)
Vorteile:
- Verringerung des Flächenbedarfs
- hoher Wärmeentzug bei gleichzeitiger Steigerung des Kühlpotentials
Herausforderung:
- Einsatz als saisonaler Speicher oder Kältespeicher, da im Sommer eine aktive Regeneration der unteren Schichten nötig ist; gleichzeitig potenzieller Vorteil, da das Kühlpotenzial im Sommer länger zur Verfügung steht

Agrothermiekollektor

Nutzung der thermischen Energie des oberflächennahesten Erdreichs unterhalb einer Agrarfläche

Einpflügen von Erdwärmekollektorrohren in ca. 1 - 2 m Tiefe
Aufnahme der thermischen Energie durch ein Frostschutzmittel (auf Glykol- oder Alkohol-Basis), das durch die Rohre des Kollektors strömt
Anhebung auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpe(n)
Vorteile:
- doppelte Nutzbarmachung einer Fläche
- deutlich geringere Erdarbeiten (verglichen mit einem herkömmlichen Erdwärmekollektor) durch einfache Verlegung der Kollektorrohre mithilfe eines Pflugs
- nahezu ungestörte Erhaltung der Struktur des Erdreichs
Herausforderungen:
- Realisierung der Vorbereitungs- und Baumaßnahmen außerhalb der Bewirtschaftungssaison
- größerer Flächenbedarf für die gleiche Wärmeentzugsmenge im Vergleich zu einer Erdwärme-Großkollektoranlage

Erdwärmesonde

Nutzung der thermischen Energie des oberflächennahen Erdreichs
Vertikale Bohrung einer Sonde bis zu ca. 400 m Tiefe; standardmäßig rund 100 m Tiefe
Aufnahme der thermischen Energie durch ein Frostschutzmittel (auf Glykol- oder Alkohol-Basis), das durch die Rohre des Kollektors strömt
Anhebung auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpe(n)
Vorteile:
- Geringer Flächenbedarf
- bessere Speicherung zusätzlicher Wärme (verglichen mit oberflächennahesten Kollektoren)
Herausforderungen:
- Eignung aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Bodens nicht an allen Standorten gegeben
- Notwendigkeit einer bergrechtlichen Genehmigung ab 100 m Tiefe
- Beachtung des Grundwasserschutzes: Je nach Verortung des Grundwassers keine oder nur sehr kurze Bohrungen möglich

Grundwasserbrunnen

Nutzung der thermischen Energie des Grundwassers
Installation eines Förderbrunnens, der das Grundwasser an die Oberfläche pumpt, thermische Energie entzieht und es anschließend durch einen Schluckbrunnen wieder zurück ins Grundwasser leitet
Vorteile:
- Konstante Quelltemperatur und Anlageneffizienz
- kein zusätzlicher Flächen- bzw. Freiflächenbedarf
Herausforderungen:
- Nicht an allen Standorten möglich: Vorherige Prüfung der verfügbaren thermischen Energie des Grundwassers nötig
- Möglichkeit der Verockerung der Schluckbrunnen bei hohem Eisen- und Mangangehalt im Grundwasser

Gewässer

Nutzung der thermischen Energie von Gewässern (Flüsse, Seen, Meere)
Entnahme und Wärmeentzug von Wasser oder direkte Einbringung von Wärmeübertragerflächen im Gewässer
Am besten einsetzbar in fließenden Süßgewässern mit beständigem Durchfluss
Vorteile:
- sehr großes Wärmepotenzial
- kein zusätzlicher Flächen-/Freiflächenbedarf
Herausforderungen:
- Möglichkeit der Ablagerung von Sedimenten auf der Wärmeübertragerfläche oder Verockerung bei Salz- oder Brackwasser
- möglicherweise Gebühren bei Entnahme und Wiedereinleitung des Wassers

Luftrückkühlwerk

Nutzung der thermischen Energie von Luft
Aufnahme der thermischen Energie durch ein Wärmeträgermedium, das durch einen Luft-Wasser-Wärmeübertrager strömt
Vorteil:
- unbegrenztes Wärmepotenzial; Begrenzung nur durch Größe und Leistung des Luftrückkühlwerkes
Herausforderung:
- besonders in der Heizperiode sehr niedrige Quelltemperaturen
Deshalb effizienteste Nutzung in Kombination mit einer anderen Wärmequelle (z.B. Erdwärmekollektor oder Sondenfeld) zur Regeneration im Sommer

Abwasser:

Nutzung der thermischen Energie von Abwasser
Aufnahme der thermischen Energie durch ein Wärmeträgermedium, das durch Wärmeübertragerflächen in den Abwasserrohren strömt
Vorteile:
- kein zusätzlicher Flächen- bzw. Freiflächenbedarf
- je nach Standort sehr großes Wärmepotenzial
- relativ hohe Quelltemperatur über das ganze Jahr
Herausforderungen:
- ausreichende Größe des Rohres, um den Wärmeübertrager einzubauen
- Verhinderung einer Beeinträchtigung des Abwasserflusses durch Ablagerungen
- Sicherstellen, dass die Abwassertemperaturen am Klärwerk nicht zu niedrig werden

Abwärme:

Nutzung der thermischen Energie von Abwärme
Aufnahme von Abwärme aus Betrieben, Supermärkten oder Rechenzentren (z.B. von Kältemaschinen)
Vorteile:
- kein zusätzlicher Flächen- bzw. Freiflächenbedarf
- doppelte Einsparung, da eine günstige Wärmequelle zur Verfügung steht und gleichzeitig durch die Aufnahme der Wärme kostengünstig gekühlt werden kann
Herausforderung:
- Abhängigkeit der Wärmeversorgung von der Abwärme Dritter; daher Gewährleistung der Versorgungssicherheit meistens problematisch