Energie & Umwelt

Wie das Heizen mit Erdwärme funktioniert

Erdwärme lässt sich für die Raumwärme, für die Brauchwassererwärmung und für die Kühlung von Gebäuden einsetzen. Besonders effizient ist die Verteilung von Erdwärme über Nahwärmenetze.
Wärmeversorgung mit oberflächennaher Geothermie

Die oberflächennahe Geothermie nutzt die Wärme, die in den obersten Erdschichten bis 400 Meter oder im Grundwasser gespeichert ist. Sie lässt sich mit Erdwärmepumpen erschließen. Wärmepumpen können auch zum Einsatz kommen, um Umweltwärme nutzbar zu machen. Dabei dient nicht die natürliche Erdwärme aus dem Erdreich oder dem Grundwasser als Wärmequelle, sondern die in der Umgebungsluft gespeicherte Wärme. Hierbei wird auch von Luftwärmepumpen gesprochen. Das technische Prinzip der Wärmepumpen: sie steigern die Temperatur der Wärmequelle auf ein höheres Niveau, um Raumwärme und bzw. oder Warmwasser für Einfamilienhäuser oder auch größere Gebäudekomplexe bereitstellen zu können.

Erdwärmepumpen "zapfen" dazu zunächst die natürliche Erdwärme entweder mit Erdsonden oder Erdkollektoren an. In einer Erdwärmesonde in ca. 100 Meter Tiefe erwärmt sich eine Flüssigkeit (z.B. ein Wasser-Sole-Gemisch) auf bis zu 13°C. Bohrungen für Erdsonden sind für Einfamilienhäuser meistens zwischen 50 bis 150 Meter tief und haben einen Durchmesser von ca. 14 bis 16 cm. An geeigneten Standorten kann auch eine Grundwasserwärmepumpe über einen Förderbrunnen die thermische Energie des Grundwassers nutzen.
Alternativ kann Wasser auch in einem Erdwärmekollektor zirkulieren und dort auf eine Temperatur von maximal 10°C erwärmt werden. Der Kollektor wird im Gegensatz zur Erdsonde waagerecht in ca. 1—1,5 Meter Tiefe flächig verlegt.

Die erwärmte Flüssigkeit aus der Erdsonde bzw. dem -kollektor wird an die Erdoberfläche gefördert. Die Wärmepumpe überträgt die Wärme auf einen Wärmeträger. Der Wärmeträger nimmt diese Wärme auf und verdampft schnell. Der elektrische Kompressor der Erdwärmepumpe erhöht den Druck und verdichtet den Dampf. Dadurch steigt dessen Temperatur. Die Wärme kann dann in einem Pufferspeicher gesammelt werden und für die Warmwasserbereitung und als Raumwärme zur Verfügung gestellt werden.

Die Wärmepumpe nutzt die Tatsache, dass sich Gase unter Druck erwärmen. Dieser Effekt ist z.B. bei einer Fahrrad-Luftpumpe zu spüren. Die Wärmepumpe hebt die Erdwärme auf ein höheres Temperaturniveau, das für eine Heizungsanlage notwendig ist. Für die Bereitstellung von 3 – 5 Kilowattstunden Wärme benötigt sie ca. 1 Kilowattstunde Strom, der den elektrischen Kompressor antreibt.

Der Wärmebedarf eines durchschnittlichen Einfamilienhauses kann durch eine Wärmepumpe mit einer Leistung von rund 12 kW vollständig gedeckt werden. Die Wärmepumpe benötigt zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge stets Strom. Ohne diese Energiezufuhr von außen kann oberflächennahe Erdwärme nicht nutzbar gemacht werden. Das Verhältnis von eingesetzter Strommenge zur erzeugten Wärmemenge sollte idealerweise im Verhältnis 1 : 4 und höher liegen. Mit einer Kilowattstunde Strom kann die Wärmepumpe dann 4 Kilowattstunden Wärme bereitstellen. Das Verhältnis von eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge wird auch als Jahresarbeitszahl bezeichnet – in diesem Fall ist die Jahresarbeitszahl 4,0.

Sind bei Neubauten aus statischen Erfordernissen Gründungspfeiler notwendig, bietet es sich an, diese mit einer geothermischen Nutzung zu kombinieren. Solche so genannten Energiepfähle werden mit Wärmetauscherrohren ausgerüstet. In Verbindung mit einer erdgekoppelten Wärmepumpe lassen sich so auch größere Gebäudekomplexe wirtschaftlich beheizen und kühlen. Zusätzlich können Energiepfahlanlagen als Wärme- bzw. Kältespeicher dienen. Auch Tunnel- und andere Verkehrsbauteile können genutzt werden, um Erdwärme bereitzustellen. So lassen sich z.B. auch Verkehrswege im Winter eisfrei halten.

Nutzung und Potenziale

In Deutschland waren im Jahr 2010 rund 387.000 Wärmepumpen in Betrieb, davon rund 143.000 Luftwärmepumpen und rund 244.000 Wärmepumpen, die oberflächennahe Geothermie, Grund- oder Brauchwasser nutzten. Im Jahr 2010 wurden insgesamt rund 51.000 neue Wärmepumpen in Deutschland installiert, womit der Absatz um 7 Prozent gegenüber dem Vorjahr zurückging. Mit 26.500 neu installierten Luft- und Wasserwärmepumpen lagen diese erstmals vor den Erdwärmepumpen mit 24.500 neu installierten Anlagen.

Rund 8 Prozent der im Jahr 2010 neu verkauften Heizungsanlagen waren Wärmepumpe. Bei Neubauten wurde deutlich häufiger eine Wärmepumpe als Heizungsanlage ausgewählt: 23 Prozent aller Neubauten im Jahr 2009 waren mit einer Wärmepumpe ausgestattet.

Das Potenzial ausschließlich der oberflächennahen Erdwärmenutzung beträgt – bei Berücksichtigung aller geeigneten Flächen – jährlich rund 261 Mrd. kWh. Das entspricht rund einem Fünftel des gesamten deutschen Wärmeverbrauchs im Jahr 2010. Die Branchenprognose des Bundesverband Erneuerbare Energie (BEE) vom Oktober 2009 erwartet im Jahr 2020 eine Wärmeerzeugung aus Erdwärmepumpen von bis zu 12,2 Mrd. kWh sowie von bis zu 14,6 Mrd. kWh aus Wärmepumpen, die Umweltwärme nutzen. Damit würden ca. 2,3 Prozent des gesamten deutschen Wärmebedarfs im Jahr 2020 gedeckt.

 

Wärmeversorgung mit Tiefengeothermie

Tiefengeothermie bezeichnet die Nutzung von Erdwärme aus mehr als 400 Meter Tiefe. In Deutschland nutzen traditionell z.B. Thermalbäder Wärme aus Tiefengeothermie.

Wird auf natürlich vorhandenen Wasserdampf oder heißes Thermalwasser in tiefen, wasserführenden Gesteinsschichten zurückgegriffen, spricht man von hydrothermaler Geothermie. In Deutschland dominiert die Nutzung von Thermalwasserfeldern, auch Aquifere genannt, deren Wasser mit Temperaturen zwischen 40 und 100°C entweder von alleine an die Erdoberfläche tritt oder über Bohrungen mit Pumpen gefördert werden kann. Besonders günstige Voraussetzungen bieten z.B.die Thermalwasserfelder im Alpenvorland, im Oberrheingraben und in der norddeutschen Tiefebene.

Das Thermalwasser wird zunächst an die Erdoberfläche gepumpt. Es fließt in einem geschlossenen Kreislauf und überträgt seine Wärme mit Hilfe eines Wärmetauschers an einen zweiten Kreislauf. In diesem zweiten Kreislauf zirkuliert ein schnell verdampfender Wärmeträger bzw. Wasser. Der Wärmeträger liefert dann über diesen zweiten Kreislauf Wärme zum Heizen und zur Warmwasserbereitung. Das wieder abgekühlte Thermalwasser wird über den ersten geschlossenen Kreislauf wieder in die Tiefe gepumpt, wo es sich erneut erhitzt. Der hohe Mineralgehalt von Thermalwasser macht die Trennung in zwei geschlossene Kreisläufe (so genannter "Dublettenbetrieb") notwendig.

Bei entsprechenden Temperaturen und Auslegung des geothermischen Kraftwerks kann der verdampfende Wärmeträger auch eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben, bevor z.B. über ein Nahwärmenetz Wärme bereitgestellt wird.

Bei der petrothermalen Geothermie kann im Gegensatz zur hydrothermalen Geothermie nicht auf natürlich vorhandenen Wasserdampf oder Thermalwasser zurückgegriffen werden. Die petrothermale Geothermie "sitzt auf dem Trockenen", weil das Tiefengestein nur gering wasserdurchlässig ist. Dennoch kann die natürliche Wärme des heißen Gesteins in ca. 2.000 – 6.000 Meter Tiefe genutzt werden. Die Verfahren der petrothermalen Geothermie werden daher auch als "Hot-Dry-Rock-Verfahren" bezeichnet.

Dabei wird in künstlich vergrößerte Risse und Klüfte unter hohem Druck Wasser eingepresst. Das Wasser erhitzt sich im ca. 200°C heißen Gestein. Eine Förderbohrung pumpt das ca. 90 – 150°C heiße Wasser dann wieder an die Erdoberfläche. Dort kann es, wie bei der hydrothermalen Geothermie, über Wärmetauscher für die Wärmeversorgung genutzt werden. Sinnvoll ist die gleichzeitige Stromerzeugung mit einer zwischengeschalteten Turbine.

Die bereitgestellte Erdwärme wird für Siedlungen oder Einzelgebäude, für die Industrie und Treibhäuser, Fischzucht, landwirtschaftliche Trocknungsprozesse oder für Thermal- und Hallenbäder genutzt. Durch Mehrfach- oder "Kaskadennutzung" kann eine Effizienzsteigerung erreicht werden, d.h. jene Nutzer, die die größte Energiemenge benötigen, werden dabei zuerst versorgt. So kann ein geothermisches Heizkraftwerk optimal ausgelastet werden.

Nutzung und Potenziale

Laut Bundesumweltministerium beläuft sich die Wärmebereitstellung aus Tiefengeothermie im Jahr 2010 auf 285 Mio. kWh. Bis 2020 geht das Bundesumweltministerium in seinem Bericht über ein Konzept zur Förderung, Entwicklung und Markteinführung von geothermischer Stromerzeugung und Wärmenutzung von einer Steigerung auf 8,2 Mrd. kWh Wärme aus. Die Branchenprognose des Bundesverband Erneuerbare Energie (BEE) vom Oktober 2009 erwartet im Jahr 2020 eine Wärmeerzeugung aus Tiefengeothermie von bis zu 14,2 Mrd. kWh. Damit würden allerdings nur ca. 1,2 Prozent des gesamten deutschen Wärmebedarfs im Jahr 2020 gedeckt.

Der Großteil der ca. 200 Anlagen zur Wärme- und Warmwasserversorgung mit Tiefengeothermie lieferte Wärme und Warmwasser für Gebäudekomplexe und Thermalbäder. Davon sind 14 geothermische Heizwerke, die im Jahr 2011 Erdwärme in Wärmenetze einspeisten. Vier geothermische Heizkraftwerke (Neustadt-Glewe, Landau, Unterhaching, Simbach-Braunau) erzeugten in Kraft-Wärme-Koppelung gleichzeitig auch Strom aus Erdwärme, weitere sind in der Planungs- und Bauphase. Etwa 18 weitere geothermische Heizwerke sind 2011 in Planung und Bau. Das Potenzial ausschließlich der hydrothermalen Geothermie wird auf jährlich ca. 300 Mrd. kWh geschätzt. Das entspricht 21 Prozent des gesamten deutschen Wärmeverbrauchs im Jahr 2010.

(Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien)

 

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