Geothermie oder Erdwärme ist die in der Erde gespeicherte Wärmeenergie, die unter der festen Erdoberfläche gespeichert ist. Dabei nimmt die Temperatur zum Erdinneren hin immer weiter zu. Im Erdkern herrschen nach verschiedenen Schätzungen 4.800 – 7.700 °C. Die Wärmeenergie stammt zu etwa knapp einem Drittel aus der Restwärme der Erdentstehung und zu mehr als zwei Dritteln aus dem Zerfall radioaktiver Elemente. Diese Zerfallsprozesse werden noch Millionen Jahre lang thermische Energie erzeugen. Bis heute ist dieser nach menschlichen Maßstäben unerschöpfliche Vorrat an thermischer Energie noch weitgehend ungenutzt.
Die Wärmebereitstellung aus Umweltwärme und Geothermie gewann im Jahr 2022 nach Angaben des Bundesumweltamtes (UBA) nochmals deutlich an Bedeutung und lag mit 22 Milliarden kWh deutlich 13 % über dem Niveau des Vorjahres (19,5 Milliarden kWh). Hier zeigt sich das starke Wachstum auf dem Wärmepumpenmarkt. Insgesamt werden etwa 11 % der erneuerbaren Wärme aus Geothermie und Umweltwärme gewonnen, im Jahr 2000 lag der Anteil bei unter 4 % (siehe Abb. 1).
Abb. 1 Umweltbundesamt, Erneuerbare Energien für Kälte und Wärme[1]
In den obersten 10 bis 15 Metern des Untergrunds bestimmen atmosphärische Faktoren die Bodentemperatur: Sonneneinstrahlung, der Wärmekontakt zur Luft und versickerndes Regenwasser. Darunter, bis in rund 50 Meter unter der Oberfläche, herrschen über das Jahr gesehen konstant etwa 10 °C. Weiter zur Tiefe hin steigt die Temperatur durch den Einfluss des Wärmestroms aus dem Erdinneren im Mittel um 3 °C pro 100 Meter an. Aufgrund dieses geothermischen Tiefengradienten liegt die durchschnittliche Temperatur in 5.000 Meter Tiefe bei 160 °C.
Bei der Erdwärme unterscheidet man in Deutschland grundlegend zwischen 2 Formen. Bei der "oberflächennahen Geothermie" geht es um die Wärme in Tiefen bis 400 Meter (VDI-Richtlinie 4640), bei der "Tiefengeothermie" dagegen geht es um die Wärme ab 400 bis in mehrere tausend Meter Tiefe. Damit kann nicht nur Energie für Fernwärmenetze gewonnen, sondern auch Strom in größerem Umfang erzeugt werden. Dafür wird entweder heißes Wasser aus Reservoiren in tiefen Gesteinsschichten gefördert oder kaltes Wasser in heiße, tiefe Gesteinsschichten gepumpt, dort aufgeheizt, wieder an die Oberfläche geholt und zum Antrieb von Turbinen verwendet (siehe Abb. 2).
Abb. 2 Bayerisches Landesamt für Umwelt, Möglichkeiten der Energienutzung aus Erdwärme[2]
Wie viel Erdwärme dem Untergrund entnommen werden kann, hängt von den geothermischen Eigenschaften der erschlossenen Gesteine (spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit), von ihrer Wassersättigung sowie vom lokalen geothermischen Tiefengradienten ab.
Für die Nutzung der Erdwärme zum Heizen eines Hauses ist der Bereich bis 100 m von Bedeutung. Um die Erdwärme anzuzapfen, gibt es verschiedene Verfahren:
- Erdwärmesonden
- Erdwärmekollektoren
- Erdwärmekörbe und Künetten (Ringgrabenkollektoren)
- Grundwasserbrunnen (Zwei-Brunnen-System)
Geothermie-Heizung
Um die durch Sonden oder Kollektoren gewonnene Erdwärme für die Heizung nutzen zu können, muss sie vom Erdreich ins Haus transportiert werden. Hier kommt die Geothermie-Heizung ins Spiel, genauer: die Sole/Wasser-Wärmepumpe. Wenn ein Grundwasserbrunnen genutzt wird, wird eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe verwendet. Ausführliche Informationen dazu in Wärmepumpen in der Gebäudetechnik.
1.1 Erdwärmebohrung
Bei Erdwärme-Tiefenbohrungen handelt es sich um ein vertikales, geschlossenes System aus Leitungen für die Heizung und Warmwasserversorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern. Sie haben einen geringen Platzbedarf und sind fast überall realisierbar. Wichtig ist dabei grundsätzlich, dass eine Erdwärmebohrung so viel Energie liefern muss, dass die angeschlossene Wärmepumpe mit überschaubarem Aufwand ausreichend Heizwärme erzeugen kann.
Sondenbohrungen benötigen besondere Genehmigungen. Der Antrag für die Erdwärmebohrung wird beim Bauamt eingereicht und ist genehmigungspflichtig. Insbesondere die Wasserbehörde prüft die beantragte Bohrung in Bezug auf die Wasserschutzgebiete. In einigen Regionen kann das die Installation auch verhindern. Bei Bohrungen tiefer als 100 Meter muss zusätzlich das Bergbauamt die Bohrung genehmigen.
Für die spätere Beheizung des Hauses wird die individuelle Auslegung der Tiefenbohrung berechnet. Diese ist abhängig von Standort, Bodenbeschaffenheit und Erdschichten und der benötigten Energie für das Haus. Daraus ergeben sich die Anzahl der Bohrungen und die benötigte Bohrtiefe. Bei weicheren Erdschichten kann tiefer gebohrt werden als bei Felsschichten. Statt einer tiefen Bohrung können dann auch zwei weniger tiefe Bohrungen ausreichen. Im Durchschnitt liegt die Bohrtiefe bei etwa 70 Metern. Berechnet wird sie mithilfe der "Entzugsleistung". Sie liegt bei idealen Bodenverhältnissen bei etwa 50 Watt pro Meter. Werden...
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