Wärme aus der Tiefe

 21. Juli 2023

HTWK Leipzig und UFZ verbessern die Planung für oberflächennahe geothermische Systeme und wollen so die regenerative Wärmewende voranbringen

Eine Reise zum Mittelpunkt der Erde, wie sie Jules Verne vor 150 Jahren beschrieb, wird immer Fiktion bleiben – dort ist es einfach viel zu heiß. Die Temperatur in den obersten Bodenschichten schwankt mit den Jahreszeiten, aber ab einer Tiefe von zehn, fünfzehn Metern ist es immer gleich warm – in Leipzig sind das beispielsweise 12 Grad Celsius. Ab hier wird es in der Erdkruste alle 100 Meter, die man nach unten gräbt, rund drei Grad wärmer. Nach menschlichen Maßstäben ist diese Wärme noch unendlich lange verfügbar. In Island versorgt die Hitze aus der Tiefe mithilfe von sechs Geothermie-Kraftwerken und Fernwärmeleitungen fast alle Haushalte mit Wärme. Doch auch hierzulande kann Geothermie mithilfe von Wärmepumpen als abgasfreie und verlässliche Wärmequelle dienen.

#gutzuwissen

Wie funktioniert das Prinzip der oberflächennahen Geothermie?

Erdwärmesonden können Gebäude mit Heiz- und Kühlenergie versorgen. Dazu werden neben oder direkt unter dem Gebäude mehrere Bohrungen von typischerweise 70 bis 140 Metern Tiefe angelegt, in welche U-förmige Rohre einzementiert werden. Die Rohre werden mit Wasser und Frostschutzmittel befüllt. Eine elektrische Pumpe zirkuliert die Flüssigkeit und bringt so die im Untergrund herrschende Temperatur, zwischen 9 und 15 Grad, nach oben. Diese zum Beheizen eines Gebäudes noch zu niedrige Temperatur wird mittels einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Dabei wird über einen Wärmetauscher die Wärme aus der Sonde auf ein spezielles Gas übertragen, welches anschließend durch einen Kompressor verdichtet wird. Dadurch erhitzt sich das Gas. Die erzeugte Wärme wird schließlich an den Heizkreislauf übertragen, also an die Flüssigkeit, die durch die Heizungsrohre zirkuliert und so ein Gebäude beheizt. Nach demselben Prinzip funktionieren auch unsere Kühlschränke – nur, dass der Prozess hier umgekehrt abläuft und dadurch Kälte erzeugt.

Wie viel eine Geothermie-Anlage kostet, lässt sich oft erst nach gründlicher Untersuchung der Standortbedingungen abschätzen. So kann beispielsweise eine Probebohrung genutzt werden, um den Untergrund im Detail kennenzulernen: Aus welchen Schichten ist er aufgebaut? Wie warm ist er? Und wie schnell kann er diese Wärme abgeben? Zudem sind auch Kenntnisse über die Grundwasserverhältnisse von großer Bedeutung. Erst wenn diese Informationen vorliegen, können Planungsbüros kalkulieren, wie viele Erdwärmesonden in welcher Länge benötigt werden. Im besten Fall reicht eine Sonde – dann kann die Probebohrung dafür weiterverwendet werden. Es kann aber auch sein, dass noch weitere Bohrungen nötig sind. Jeder Bohrmeter treibt die Kosten in die Höhe – 2022 lag der Preis pro Bohrmeter bei mehr als 100 Euro. Insgesamt schlägt eine Geothermieanlage für ein Eigenheim im mittleren fünfstelligen Bereich zu Buche – das ist noch einiges mehr als bei einer Gasheizung. Noch dazu braucht es spezielle Niedertemperaturheizkörper oder Fußbodenheizungen. In Bestandsgebäuden dauert es daher sehr lange, bis sich eine Umstellung auf Geothermie rentiert. Dafür fallen für den laufenden Betrieb vergleichsweise geringe Kosten für den Strom der Wärmepumpe an.

„Die Ergebnisse sind komplex. Grob lässt sich aber sagen: Der wichtigste Einflussfaktor ist die ungestörte Ausgangstemperatur im Boden, und diese schwankt innerhalb Deutschlands beträchtlich. In Freiberg in Sachsen liegt diese beispielsweise bei nur 9 Grad, während in Frankfurt am Main stolze 15 Grad auf dem Thermometer stehen. Deshalb haben wir verschiedene Standortprofile erstellt, die künftig helfen können, unterschiedliche Gegebenheiten zu simulieren.“ Ebenfalls eine große Rolle für ein effizientes Geothermiesystem spielt die genaue Prognose des Wärme- und Kühlenergiebedarfs eines Gebäudes oder Quartiers. Dafür hat ein Team um HTWK-Professor Stephan Schönfelder ein Simulationsmodell für die Haustechnik erarbeitet, das die Simulation des Untergrunds ergänzt. Im Ergebnis wurde eine Schnittstelle zwischen den Softwarekomponenten entwickelt, um die Simulationen von Untergrund und Gebäudetechnik miteinander zu koppeln.