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Oberflächennahe Geothermie

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Definition: die Nutzung von Erdwärme aus nicht allzu tiefen Schichten

Englisch: near-surface geothermal energy

Kategorie: Haustechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 31.10.2010; letzte Änderung: 22.02.2017

Die oberflächennahe Geothermie ist die Nutzung von Erdwärme (Geothermie) aus geringen Tiefen bis zu einigen hundert Metern. Sie ist zu unterscheiden von der tiefen Geothermie.

Nur in sehr geringen Tiefen von z. B. einem Meter unter der Erdoberfläche schwanken die Temperaturen des Erdreichs stark mit den Jahreszeiten. In größeren Tiefen von z. B. 10 oder 100 Metern ist die Temperatur jedoch weitgehend konstant, z. B. bei rund 10 °C. In größerer Tiefe nimmt sie noch etwas zu, aber bei der oberflächennahen Geothermie ist dieser Effekt nicht allzu stark: Er macht in der Regel weniger als 10 Grad aus.

Nutzung der Wärme

Oberflächennahe Wärme wird in der Regel mit Erdwärmesonden genutzt, die vertikal bis in eine gewisse Tiefe von typischerweise zwischen 100 m und 300 m vordringen. (Es gibt allerdings auch Tiefensonden für deutlich größere Tiefen von z. B. 800 m.) Anstelle von einer 300 m tiefen Sonde können auch drei Sonden mit nur 100 m Tiefe verwendet werden, wenn deren Abstand ausreichend groß ist (etliche Meter); die Gesamtkosten bewegen sich für beide Ansätze in ähnlicher Höhe. An der Oberfläche ist von einer Bohrung nur ein Gebiet von einigen Quadratmetern Fläche betroffen.

Für besonders geringe Tiefen von wenigen Metern werden auch Erdwärmekollektoren und Erdwärmekörbe eingesetzt, die dann allerdings bei der Installation eine wesentlich größere Fläche an der Oberfläche betreffen. Sie können z. B. dort zum Einsatz kommen, wo tiefe Bohrungen nicht erlaubt sind (z. B. in Grundwasserschutzgebieten) oder wo in einer Bauphase ohnehin große Teile eines Geländes umgegraben werden.

In aller Regel liegt die Temperatur, die mit Erdwärmesonden oder Erdwärmekörben erreicht wird, deutlich unterhalb der für die direkte Wärmenutzung benötigten Temperatur. Beispielsweise wird auch für eine Fußbodenheizung eine Vorlauftemperatur von meist 30 bis 35 °C benötigt, während eine Erdsonde im Betrieb Temperaturen von z. B. 0 °C bis 10 °C liefert. Diese Differenz muss dann durch eine Wärmepumpe überbrückt werden. Die hochwertige Antriebsenergie (reine Exergie) der Wärmepumpe belastet natürlich die Energiebilanz des Systems in erheblichem Umfang. Jedoch kann eine Wärmepumpenheizung mit Erdwärme trotzdem relativ energieeffizient sein, etwa im Vergleich zu Heizungsanlagen mit Heizkesseln, wenn die erreichte Jahresarbeitszahl hoch ist.

Für die Stromerzeugung ist die oberflächennahe Geothermie aufgrund der niedrigen Temperaturen nicht geeignet; hierfür muss die tiefe Geothermie eingesetzt werden.

Regeneration des Erdreichs

Anders als bei der tiefen Geothermie wird das Wärmevorkommen im Erdreich bei der oberflächennahen Geothermie in der Regel nicht erschöpft. Im Falle von Erdwärmesonden kann Wärme horizontal nachfließen, und der Wärmeentzug ist nicht so stark, dass ein großes Erdvolumen dauerhaft abgekühlt wird. Im Falle von sehr oberflächennahen Erdwärmekörben kann die Regeneration auch durch die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche erfolgen. Erdregister und Erdwärmekörbe sollten also möglichst an besonnten Standorten vergraben werden, während dies bei Erdwärmesonden keine Rolle spielt. Grundsätzlich sollten die Wärmeübertrager immer so dimensioniert sein, dass dauerhaft keine allzu starke Abkühlung des Erdreichs erfolgt.

Probleme können auftreten, wenn Erdwärmesonden in zu geringem Abstand voneinander betrieben werden und im Jahresmittel deutlich mehr Wärme entzogen wird, als man sie wieder zuführt (siehe unten). Wenn das Erdreich dadurch mit der Zeit immer mehr abkühlt, sinkt die Energieeffizienz der Anlagen.

In vielen Fällen, insbesondere für Bürogebäude, werden Erdsonden im Sommer auch für die Kühlung verwendet. Entweder kann das Temperaturniveau direkt für die Kühlung z. B. über die Schlangen der Fußbodenheizung erfolgen, wobei nur ein geringer Strombedarf für die Pumpen entsteht (“free cooling”), oder es wird die Abwärme einer Klimaanlage über die Erdsonden abgeführt. Auch im letzteren Fall erfolgt eine deutliche Energieeinsparung, weil die Kältemaschine der Klimaanlage bei Kühlung über die Erdsonde wesentlich effizienter arbeitet als bei Kühlung mit der warmen Außenluft. Außerdem steigt durch den Wärmeeintrag die Temperatur im Erdreich, so dass eine spätere Wärmeentnahme entsprechend effizienter (d. h. mit höherer Leistungszahl der Wärmepumpe) erfolgen kann. Man spricht hier von einer Regeneration des Erdreichs.

Eine weitere Möglichkeit ist es, im Sommer oft anfallende überschüssige Wärme aus einer Solarthermie-Anlage in die Erdsonden einzuspeisen. Zwar geht hierbei viel Wärme verloren, aber immerhin kann ein Teil davon später wieder genutzt werden, und gleichzeitig kann es vorteilhaft sein, eine zu starke Aufheizung der Sonnenkollektoren zu vermeiden.

Siehe auch: Geothermie, tiefe Geothermie, erneuerbare Energie, Wärmepumpenheizung, free cooling
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