Grundlegende Informationen zur oberflächennahen Geothermie

Während die tiefe Geothermie zur Zeit keine Anwendung in Bremen findet, können die oberflächennahen Gesteine bis ca. 400 m als Energiespeicher zum Heizen und Kühlen genutzt werden.
In Bremen gibt es inzwischen zahlreiche Erdwärmeanlagen. Grundlage für einen erfolgreichen Betrieb bei gleichzeitigem Schutz der Ressource Grundwasser ist eine Standortgerechte Auswahl der Technik und eine fachgerechte Planung und Errichtung der Anlage, deren Komponenten aufeinander abgestimmt sein sollten. Weitere Informationen dazu finden Sie im Bereich Anlagenplanung.

Entstehung von Erdwärme – Wärmequellen

Erdwärme kann aus den unterschiedlichsten Tiefen gewonnen werden. Die verschiedenen möglichen Formen der Erdwärmegewinnung werden dabei grob in oberflächennahe und tiefe geothermische Systeme unterteilt. Beide Systeme gewinnen Wärme aus unterschiedlichen Hauptwärmequellen. Diese bildet bei tiefen geothermischen Systemen (meist tiefer als 1000 m) vor allem der radioaktive atomare Zerfall im Erdmantel.

Die erzeugte Wärme wird über Wärmeleitung in die Erdkruste transportiert von welcher wir schließlich auf die Energie zugreifen können. Im Durchschnitt nimmt deshalb die Temperatur der Erdkruste um 3 Grad Celsius pro 100 Meter Tiefe zu. Diese in großen Tiefen gespeicherte Energie kann zur direkten Wärmegewinnung bis hin zur Stromerzeugung genutzt werden und ist eher für größere Betriebe im Kraftwerksbetrieb rentabel.

Für einzelne Bauwerke, vom Einfamilienhaus bis hin zum Bürokomplex, lässt sich bereits die vorhandene Wärme der oberen Erdschichten zur Energiegewinnung nutzen. Die Energiequelle bildet hier vor allem der solare Wärmestrom. Durch direkte Einstrahlung, bzw. mit versickerndem Niederschlag, gelangt dabei die Wärme in die Erde. Aufgrund der jahreszeitlich variierenden Niederschlagsereignisse schwankt die Temperatur zwar im oberflächennahen Bereich, gleicht sich mit zunehmender Tiefe jedoch aus. Bereits ab einer Tiefe von ungefähr 15 Metern herrscht über das ganze Jahr verteilt eine konstante Temperatur von etwa 9 bis 12 Grad Celsius im Bremer Raum. Die entsprechende Wärme lässt sich dabei sowohl zur Raumklimatisierung als auch, in Verbindung mit einer Wärmepumpe, zu Heizzwecken nutzen.

 

 

Möglichkeiten der Energiegewinnung

Brunnendoublette

Im oberflächennahen Bereich unterscheidet man zwischen offenen und geschlossenen geothermischen Systemen. Während bei Letzterem der Wärmetransport durch indirekten Kontakt einer zirkulierenden Trägerflüssigkeit mit dem Untergrund erfolgt, findet in offenen Systemen eine direkte Energiegewinnung über das Grundwasser selbst statt.
Zu den offenen Systemen gehören beispielsweise sogenannte Zweibrunnensysteme wie die Förder- und Schluckbrunnen. Hierbei wird das Grundwasser über einen Förderbrunnen einer Wärmepumpe zugeführt und über einen Schluckbrunnen wieder in den Grundwasserleiter eingebracht. Durch die direkte Nutzung können dabei die höchsten Wirkungsgrade erzielt werden. In Bremen wird diese Technik allerdings kaum noch eingesetzt, da sie aufgrund des relativ hohen Eisengehaltes im Grundwasser anfällig für Störungen ist. In unserer Region werden daher hauptsächlich geschlossene geothermische Systeme verwendet, auf deren unterschiedliche Typen im Folgenden eingegangen wird.

Erdwärmesonden

Zur Erschließung oberflächennaher Wärmeenergie werden am häufigsten Erdwärmesonden verwendet. Diese bestehen aus typischerweise bis zu 200 m langen Polyethylen-Kunststoffrohren, in denen eine Trägerflüssigkeit zirkuliert. Nach einer für die Installation notwendigen Bohrung auf die jeweilige Tiefe (40 m bis zu 250 m in Bremen), werden die Rohre vertikal in den Untergrund eingeführt. Dadurch sind sie, vor allem im Vergleich zu Flächenkollektoren, sehr platzsparend und erzielen durch die konstante und höhere Tiefenausgangstemperatur des Wärmeträgers einen höheren Wirkungsgrad. Im Anschluss wird der verbleibende Hohlraum mit einem Füllmaterial mit möglichst guter Wärmeleitfähigkeit hinterfüllt. Neben einer guten Wärmeübertragung bildet die Verfüllung eine zusätzliche Barriere zwischen den umgebenden Erdschichten und der Sonde selbst, die vor eventuellen Verunreinigungen schützt.

Die Rohre sind häufig im unteren Bereich der Sonde mit einem U-förmig Fußteil verbunden, weshalb sie auch als U-Sonden bzw. im Falle von zwei verwendeten Rohrpaaren, als Doppel-U-Sonden bezeichnet werden. Neben den U-Sonden, werden auch Wärmetauscher-Systeme verwendet, bei denen der Einbau eines einzelnen Rohres erfolgt, sogenannte Koaxialsonden. Diese bestehen wiederum aus einem Außen- und einem Innenrohr durch welche die Trägerflüssigkeit jeweils Richtung Erdoberfläche oder Untergrund geleitet wird.

Energiepfähle

Erdberührende Betonpfähle, wie Stützpfeiler, die bereits bei der Fundamentierung eines Bauwerks zusätzlich mit einem Wärmetauscher versehen werden, nennt man Energiepfähle. Durch diese kann Wärme in den Untergrund abgeführt und gegebenenfalls auch zu einem späteren Zeitpunkt für Heizzwecke wiedergewonnen werden, abhängig von der Wärmekapazität und -leitfähigkeit des Bodens. Energiepfähle bieten, da sie aus statischen Gründen in größerer Zahl gebaut werden, besondere Vorteile im bivalenten Betrieb zu Gebäudeklimatisierung.

Erdkollektoren

Erdkollektoren sind die oberflächennahesten geschlossenen geothermischen Systeme und werden auch als Flächenkollektoren bezeichnet. Sie werden horizontal in ungefähr 1,5 m Tiefe verlegt und bestehen aus mehreren 100 m langen Rohrleitungen, durch die, wie bei den Sonden, eine Trägerflüssigkeit zirkuliert. Der Flächenbedarf ist bei einer solchen Anlage sehr hoch, für eine erste Abschätzung wird häufig das 1,5-fache der zu beheizenden Gebäudefläche verwendet. Aufgrund der Nähe zur Erdoberfläche wird hierbei die Wärme nahezu ausschließlich aus solarer Energie gewonnen. Da in den obersten Bodenschichten ein eher niedriges und variierendes Temperaturniveau vorliegt, fällt der Wirkungsgrad während der Heizphase geringer aus, verglichen mit den tiefer gelegenen Erdwärmesonden. Kollektoren können auch flächensparend, beispielsweise in Form von Spulen (Grabenkollektoren) oder Körben (Erdwärmekörbe), in den Untergrund eingebracht werden. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Varianten hängt jedoch stark von den Bodenverhältnissen vor Ort ab.