Geothermie – Wärme aus dem Erdinneren

Die Geothermie zählt zu den erneuerbaren Energien. Sie wurde in den vergangenen Jahrzehnten immer relevanter für den Hausbau und wird zukünftig einen wichtigen Platz einnehmen.

Fossile Energieträger werden Jahr für Jahr teurer und stellen für viele junge Menschen keine Option für die Energiegewinnung mehr dar, da die Klimaauswirkungen durch diese Energieträger immer spürbarer werden. Die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt stetig weiter an und das Angebot wird immer vielschichtiger. Zu den erneuerbaren Energien zählt unter anderem auch die Geothermie (Erdwärme), die den Wärmebedarf im Haushalt problemlos und umweltschonend decken kann.

Was ist Geothermie?

Unterhalb der festen Erdoberfläche findet sich gespeicherte Wärmeenergie aus dem Erdinneren, die wie ein kontinuierlicher Strom, dem sogenannten terrestrischen Wärmestrom, von inneren nach außen dringt. Je tiefer Richtung Erdkern gebohrt wird, desto höher steigt die Temperatur. Der Wärmetransport der Geothermie kann über zwei Wege erfolgen, über die Wärmeleitung (Konduktion) innerhalb der Gesteinsschichten oder über Konvektion durch aufsteigendes Thermalwasser. Aus dem terrestrischen Wärmestrom lässt sich der so genannte geothermische Gradient ableiten, der die Temperaturzunahme mit zunehmender Tiefe abbildet. Für Mitteleuropa gilt eine Temperaturzunahme von 3 Grad Celsius pro 100 Metern Tiefe. Forscher gehen davon aus, dass im Erdkern Temperaturen von 5000 bis 7000 Grad Celsius herrschen. Aktuell strahlt unser Planet täglich rund viermal so viel Energie in Form von Geothermie ab, als wir verbrauchen. Rund 30 Prozent der Energie stammt aus dem Erdinneren und 70 Prozent aus dem Zerfall von radioaktiven Elementen im Erdmantel sowie in der Erdkruste.

Die Vorteile der Geothermie

Die Geothermie ist nicht nur kohlendioxidarm, sondern kann auch kontinuierlich und witterungsunabhängig das ganze Jahr über genutzt werden. Zudem ist sie wie andere erneuerbare Energien unerschöpflich und landschaftsschonend – im Gegensatz zur Braun- oder Steinkohle. Außerdem wird für die genutzte Energie keine Abgabe fällig, sondern lediglich die Anschaffungskosten der Anlage finanziert werden. Dank modernster Technologien ist es praktisch überall möglich, das Potenzial der Geothermie zu nutzen, da die Energie dauerhaft vor Ort ist. Die Geothermie kann übrigens nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen oder Stromerzeugen genutzt werden.

Nutzungsformen der Geothermie

Je nach Tiefe kann bei der Geothermie ein unterschiedliches Temperaturniveau genutzt werden. Grundsätzlich wird zwischen der oberflächennahen und der tiefen Geothermie unterschieden:

Bei der oberflächennahen Geothermie wird die Erdwärme aus bis zu 400 Metern Tiefe verwendet. Da hier eine noch relativ niedrige Temperatur vorhanden ist, muss über Wärmepumpen ein nutzbareres Niveau geschaffen werden, um ein Gebäude beheizen zu können. Diese Wärmenutzung zählt wie die Umweltwärme aus Luft oder Oberflächengewässer zur sogenannten Umgebungswärme. Diese Möglichkeit der Energieversorgung wird im Fertighausbau eingesetzt.

Tiefen Geothermie stößt in weit tiefere Erdschichten vor. Hierbei werden Wärmereservoires in größeren Tiefen erschlossen und Bohrlöcher von bis zu fünf Kilometern Tiefe gebohrt. Die dafür benötigten Anlagen sind dementsprechend leistungsfähiger als die der oberflächennahen Geothermie. Damit lassen sich dann auch ganze Stadtviertel mit Heizwärme versorgen. Ist das Temperaturniveau sehr hoch, kann damit auch ein Geothermiekraftwerk betrieben werden, das Strom erzeugt.

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Arten der oberflächennahen Geothermie

Zur oberflächennahen Geothermie gehören Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden oder Grundwasserbrunnen, die sich ganzjährig und unabhängig vom Klima sowie nahezu überall im Erdreich installieren lassen. Schon bei niedrigen Temperaturen zwischen zehn und zwölf Grad Celsius im Boden, kann eine dieser Formen zum Heizen oder Kühlen genutzt werden.

 

Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren werden horizontal in rund zwei Meter Tiefe verlegt. Die daraus gewonnene Energie stammt vorwiegend aus der Sonneneinstrahlung in den Sommermonaten sowie erwärmtes Regenwasser, was in den Boden einsickert. Die Kollektoren dürfen grundsätzlich nicht überbaut werden, da sonst beide Effekte zur Bodenerwärmung ausbleiben und die Kollektoren nicht funktionieren. Der Platzbedarf richtet sich nach dem Wärmebedarf im Haushalt, dem Verbraucherverhalten sowie der vorliegenden Bodenbeschaffenheit. Als Faustregel werden als Richtwert rund doppelt soviele kunststoffbasierte Wärmetauschrohre im Erdreich verlegt, wie der eigentliche Wärmeenergiebedarf des Haushalts es verlangt.

Erdwärmesonden

Die gängigste Form der Geothermie sind Erdwärmesonden, die Wärmeenergie aus dem terrestrischen Wärmestrom gewinnen. Sie werden als Einzelsonden bei Ein- und Zweifamilienhäusern sowie als Sondenfelder bei ganzen Wohnsiedlungen, Schulen oder Bürokomplexen verwendet. Meist wird die Sonde in Tiefen zwischen 40 und 150 Metern platziert. Je nach hydrologischen wie auch wasserwirtschaftlichen Bedingungen müssen mehrere Sonden eingesetzt werden. Auch hier kommen Wärmetauschrohre aus Kunststoff zum Einsatz.

Grundwasserbrunnen

Der Grundwasserbrunnen lohnt sich nur bei nahegelegenen Grundwasservorkommen, da über Grundwasser-Wärmepumpanlagen die Wärme entzogen wird. Da das Grundwasser unterschiedliche mineralische Zusammensetzungen haben kann, kann es zu Ablagerungen und Korrosion an den einzelnen Bauteilen kommen. Bei Ein- und Zweifamilienhäusern ist der Grundwasserbrunnen nur bis zu einer Tiefe von 30 Metern wirtschaftlich. Hierfür werden zwei Brunnen mit einem Abstand von zehn bis 15 Metern gegraben, sodass das Grundwasser in einem ständigen Kreislauf zirkulieren kann.

Bedingungen für Geothermie

Um Geothermie kosteneffizient und sinnvoll einzusetzen, müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein. Die Temperatur sowie die Durchlässigkeit der Gesteine sind die entschiedenden Faktoren hierfür. Oftmals sind Thermalwasser und eine gute Durchlässigkeit zwar vorhanden, wobei dies mit hydraulischen und chemischen Stimulationsmaßnahmen optimiert werden muss. Mögliche Umweltauswirkungen wie Erdbeben (Seismizität) oder Verunreinigung von Grundwasser werden bereits im Vorfeld geprüft und müssen klar ausgeschlossen werden.

Wer sich beim Hausbau für die Planung einer Erdwärmeanlage entscheidet, benötigt wasser- und bergrechtliche Genehmigungen von der jeweiligen Behörde. Die Untere Wasserbehörde fordert ein wasserrechtliches Verfahren für den Schutz des Grundwassers bei der Nutzung der Erdwärme. Bei Bohrungen über 100 Metern oder Bohrungen auf einem Drittgrundstück statt dem eigentliche Baugrundstück, ist die bergrechtliche Zulassung notwendig. Erdwärme zählt wie Braun- und Steinkohle als Bodenschatz, dessen Aufsuchung, Gewinnung und Nutzung grundsätzlich unter das Bundesberggesetz fällt. Sind die Anforderungen gegeben und die Behörden haben keine Einwände, kann die Geothermie ein stückweit unabhängig von Netzbetreibern machen. Ansonsten können angehende Baufamilien noch auf eine Vielzahl anderer Möglichkeiten für die Erzeugung von Energie mit umweltschonenden Methoden zurückgreifen.

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