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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

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 31.10.2010; letzte Änderung: 18.10.2015

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

Erdwärmesonden, die einige 100 Meter in die Tiefe vordringen, gelten noch als Instrumente der oberflächennahen Erdwärmenutzung.

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.

Für die oberflächennahe Geothermie wird meist eine Wärmepumpe benötigt, sodass ein wesentlicher Einsatz an Primärenergie unvermeidbar ist.

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
sowie andere Artikel in der Kategorie Haustechnik

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Thesen zum Klimaschutz

1. Die Klimagefahren sind real.

Die absolut überwiegende Mehrheit der Klimaforscher bestätigt das.

Manche Leute aus anderen Fachgebieten meinen es besser zu wissen als all diese Forscher. Das ist lächerlich.

Es gibt immer Minderheitsmeinungen, auch unter Forschern, und manchmal stimmen diese sogar. Aber darauf zu bauen, dass die große Mehrheit total daneben liegt, wäre eine große Dummheit.

2. Plötzliche Klima­änderungen sind höchst gefährlich.

Die Natur hat sich über lange Zeit an das derzeitige Klima angepasst. Starke Änderungen innerhalb nur einiger Jahrzehnte hätten dramatische Folgen.

Auch die Menschheit kann sich nicht an beliebig veränderte Umweltbedingungen anpassen.

Dass es vor tausenden von Jahren erhebliche Klimaschwankungen gab, heißt keineswegs, dass wir damit zurechtkommen werden!

3. Klimaschutz kostet viel Geld – kein Klima­schutz noch viel mehr!

Die Vorstellung, man solle lieber Geld sparen, um damit dann eine Klimakatastrophe zu überstehen, ist geradezu absurd. Die Folgen starker Klimaveränderungen sind unabsehbar und dann nicht mehr korrigierbar.

Wer unseren Wohlstand bewahren will, wünscht sich zu allerletzt einen schnellen Klimawandel!

4. Zeigefinger auf China sind unangebracht.

  • Dürfen Chinesen pro Kopf weniger CO2 emittieren, nur weil es viele Chinesen gibt?
  • Können wir massenhaft Güter aus China importieren und die Verantwortung für die dabei entstehenden Emissionen von uns weisen?
  • Wer selbst weit überdurchschnittliche Pro-Kopf-Emissionen verursacht, zeigt besser nicht mit dem Finger auf andere.

Lesen Sie unseren Artikel zum Thema!

5. Viele Maßnahmen für den Klimaschutz sind ohnehin auch aus anderen Gründen nötig.

  • Eine massive Abhängigkeit z. B. von Erdöl und Erdgas ist gerade in Zeiten stark rückläufger Förderung in Europa wirtschaftlich und politisch hoch gefährlich.
  • Kohlekraftwerke schaden nicht nur dem Klima: Auch in Europa verursachen sie jährlich tausende vorzeitiger Todesfälle durch Luftverschmutzung.

Einfach weiterzuwursteln wie bisher ist keine Option!

6. Energiewende: ja, aber bitte richtig.

  • Eine echte Energiewende ist unverzichtbar, um unsere ökonomische und ökologische Zukunft zu retten.
  • Die deutsche Energiewende findet bisher fast nur im Strombereich statt, und selbst dort wird mittlerweise rabiat gebremst.
  • Die Wärmewende wäre besonders wichtig: Sehr viel Energie wird in Form von Wärme gebraucht oder verschwendet. Sorgen wir dafür, dass wir auch morgen noch in warmen Häusern leben können!

7. Substitution ist nötig, hat aber Grenzen.

  • Wir können viel Kohlestrom z. B. durch Wind- und Solarstrom ersetzen – beim Strom gibt es viele Möglichkeiten.
  • Im Wärmebereich ist es schwieriger: z. B. Holz als Ersatz für Erdgas gibt es nicht unbegrenzt.
  • Strom für Wärme (z. B. mit Elektrowärmepumpen) geht auch, aber sehr viel Öko­strom im Winter zu erzeugen ist schwierig!

Also: Allein mit Substitution schaffen wir es nicht! Der Verbrauch muss runter!

8. Kernenergie ist ein Nebenkriegsschauplatz.

  • Weltweit deckt die Kernenergie nur wenige Prozent des Energiebedarfs – in Zukunft noch weniger.
  • Ein entscheidender Beitrag der Kernenergie zum globalen Klimaschutz scheitert schon an den Kosten.
  • Auf die ferne Zukunftshoffnung Kernfusion zu setzen, ist Traumtänzerei: Wenn das überhaupt je geht, ist es wohl unbezahlbar.

Also: Von der Kernenergie wird es nicht abhängen, ob wir das Klimaproblem lösen.

9. Energieeffizienz ist enorm wichtig.

  • Nur wenn wir entscheidend weniger Energie brauchen, können wir den Bedarf sauber, sicher und bezahlbar decken.
  • Energieeffizienz hat enorme Potenziale – bei uns und weltweit.
  • Effizienz ist nachhaltig: Das funktioniert dauerhaft, ohne neue schwierige Probleme aufzuwerfen.

Also: Wir müssen unbedingt die Energieeffizienz kraftvoll vorantreiben!

10. Suffizienz ist eben­falls unverzichtbar.

  • Überbordende Ansprüche zu erfüllen, etwa auf jährliche Flugreisen, ist kaum auf nachhaltige Weise machbar.
  • Es ist nicht vertretbar, dass die einen Energie gedankenlos in Mengen konsumieren, während andere noch nicht genug zum Leben haben.

Beachten Sie: Je weniger erfolgreich wir bei Substitution und Effizienz sind, desto wichtiger wird die Rolle der Suffizienz.

11. Emissionshandel ist gut und richtig, aber kein Allheilmittel.

  • Emissionshandel kann helfen, Klimaschutz möglichst kostengünstig zu praktizieren.
  • Wir brauchen deswegen ein globales Emissionshandelssystem.
  • Allein darauf zu setzen, wäre aber grundfalsch. Die Meinung von gewissen Ökonomen, Emissionshandel mache das deutsche EEG überflüssig, basiert auf nachweisbaren Denkfehlern.

12. Nicht jede Maß­nahme ist sinnvoll.

Manche sagen, wir bräuchten alle Beiträge zum Klimaschutz, die zu kriegen sind. Aber:

  • Wir haben begrenzte Resourcen. Wenn mehr davon in wenig wirksame Maßnahmen fließt, erreichen wir weniger, nicht mehr.
  • Unrealistische Hoffnungen z. B. auf neue Wundertechnologien sind gefährlich.

Also: Gezielt realisieren, was funktioniert! Nicht auf Wunder warten, sondern heute handeln!

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