Erdwärme

Rund 19 % des Endenergieverbrauchs in Deutschland wird aus erneuerbaren Energien bezogen. Die bekanntesten erneuerbaren Energien, die auch am häufigsten genutzt werden, sind Bioenergie, Solarenergie und Windenergie. Aber es gibt auch noch andere Formen von erneuerbarer Energie, dazu gehört die Erdwärme – auch Geothermie genannt.

Was ist Erdwärme – einfach erklärt

Erdwärme ist, einfach erklärt, eine nachhaltige Energiequelle. Immer mehr Menschen möchten auf erneuerbare Energien zurückgreifen, um den Planeten zu schonen. Die Erdwärme – auch Geothermie genannt – wäre eine Möglichkeit, das Klima zu schützen und Energie aus regenerativen, also erneuerbaren Ressourcen zu beziehen.

Geothermie – Definition

Die Erde erwärmt sich durch Prozesse im Erdinneren und durch solare Strahlung.

In der Geothermie unterscheidet man zwischen oberflächennaher Geothermie und tiefer Geothermie. Dabei spricht man bei einer Tiefe bis 400 Meter von der oberflächennahen Geothermie. Alles, was darüber hinausgeht, gehört zur tiefen Geothermie, dort sind die Temperaturen nämlich deutlich höher.

Ein weiterer Unterschied ist, dass die tiefe Geothermie auch für die Stromerzeugung genutzt werden kann. Dabei kann Strom ab einer Temperatur von 90 °C erzeugt werden. Oberflächennahe Geothermie wird lediglich für die Wärmeversorgung genutzt.

Erdwärme – Entstehung

Der Aufbau des Erdkörpers erfolgt in verschiedenen Schichten. Diese Schichten haben unterschiedliche Temperaturen und je näher man an den circa 5.000 °C heißen Erdkern gelangt, desto wärmer wird es.

Der Erdkörper wird zum einen durch radioaktiven Zerfall von Isotopen im Erdinnern erwärmt und zum anderen durch Einstrahlung der Sonne auf die Erdoberfläche. Durch diese beiden Prozesse entsteht Erdwärme.

Man geht davon aus, dass sich die Erde pro 100 Meter Tiefe um 3° C erwärmt. Man nennt diesen Wert auch geothermischen Gradienten.

Erdwärme – Nutzen und Nutzungsformen

Um Erdwärme nutzen zu können, müssen entsprechende Anlagen ausgebaut werden. Je nachdem, welchen Nutzen die geothermische Anlage haben soll, kommen unterschiedliche Nutzungsformen und -möglichkeiten infrage.

Allgemein wird Erdwärme für das Heizen und Kühlen genutzt, aber auch zur Stromversorgung.

Erdwärme – Funktion der oberflächennahen Geothermie

Erdwärme aus oberflächennahen Quellen beziehen hauptsächlich Privatnutzer. In Tiefen bis 400 Meter ist die Temperatur noch nicht hoch genug, um die Wärme zum Beispiel zum Heizen zu nutzen, daher muss mittels einer Wärmepumpe nachgeholfen werden. Die Wärmepumpe erhöht die Temperatur der Erdwärme weiter, sodass die Erdwärme zum Heizen genutzt werden kann.

Bevor man oberflächennahe Erdwärme nutzen kann, muss der Standort, an dem die geothermische Anlage errichtet werden soll, genauer untersucht werden. Diese Untersuchung wird mittels einer Tiefbohrung durchgeführt und dabei werden verschiedene Kennwerte ermittelt.

Wichtige Kennwerte sind unter anderem die Wärmeleitfähigkeit und die Porosität des Bodens oder des Gesteins.

Es gibt drei verschiedene Möglichkeiten, sich die oberflächennahe Geothermie zunutze zu machen.

Oberflächennahe Erdwärmesonden

Oberflächennahe Erdwärmesonden werden am meisten genutzt, um durch oberflächennahe Geothermie Energie zu gewinnen. Die Erdwärmesonden können bis zu 150 Meter vertikal in die Tiefe reichen.

Eine Erdwärmesonde kannst Du Dir wie zwei Rohre, die in den Erdboden reichen, vorstellen. Die Enden der beiden Rohre werden unten im Erdboden u-förmig miteinander verbunden. Kunststoff wird am häufigsten als Material für solche Sonden genutzt.

Durch die Erdwärmesonde fließt eine Wärmeträgerflüssigkeit. Dabei handelt es sich häufig um Wasser, da die Leitfähigkeit von Wasser sehr hoch ist. Die Flüssigkeit sorgt dafür, dass die Erdwärme aufgenommen und zur Wärmepumpe transportiert werden kann.

Die Wärmepumpe erhöht das Temperaturniveau anschließend und die gewonnene Wärme kann dann zum Heizen des Gebäudes genutzt werden.

Geothermische Brunnenanlagen

Durch die Erdwärme hat das Grundwasser eine konstante Temperatur. Geothermische Brunnenanlagen nutzen diese konstante Wärme von 8 bis 11° C des Grundwassers, um Energie zu schöpfen. Dafür werden zwei Brunnen benötigt. Die Brunnen werden bis zu 20 Meter tief gebaut.

Ein Brunnen wird zur Förderung des Grundwassers an die Erdoberfläche genutzt, dort wird die Wärme dem Wasser entzogen und gespeichert. Anschließend wird das kalte Wasser durch den anderen Brunnen wieder in den Erdboden geleitet.

Auch bei dieser Nutzungsform ist wieder die Erhöhung der Temperatur durch eine Wärmepumpe erforderlich.

Erdwärmekollektoren

Die dritte Möglichkeit oberflächennah Erdwärme nutzen zu können, ist über sogenannte Erdwärmekollektoren. Diese Rohre aus Kunststoff verlaufen horizontal in Schlangenlinien und werden sehr nah an der Erdoberfläche eingebaut.

Erdwärmekollektoren werden durch jahreszeitliche Temperaturschwankungen mehr beeinflusst als die anderen oberflächennahen geothermischen Anlagen, bei denen die jahreszeitlichen Schwankungen vernachlässigbar klein sind. Trotzdem sind Erdwärmekollektoren effektiv und eine vielversprechende Möglichkeit Erdwärme zu nutzen.

Auch hier wird die Wärme durch eine Wärmeträgerflüssigkeit transportiert und an eine Wärmepumpe übertragen, die dann das Temperaturniveau erhöht.

Abbildung 1: Nutzung oberflächennaher Geothermie bei einem Haus

Die Abbildung zeigt die Funktionsweise einer Erdwärmesonde bei einem Haus. Dabei handelt es sich um einen Kreislauf. Sobald die Wärmeträgerflüssigkeit (1) bei der Wärmepumpe (2) angekommen ist, wird das Temperaturniveau erhöht und ein Gas verdampft. Dieses Gas wird dann zum Heizen oder für die Warmwasserproduktion genutzt (3). Die Wärmeträgerflüssigkeit kühlt dann wieder ab (4) und wird wieder in die Tiefe zur Erdwärmesonde transportiert, wo sie wieder Wärme aufnehmen kann (5).

Erdwärme – Funktion der tiefen Geothermie

Die tiefe Geothermie wird überwiegend zur Wärmegewinnung, Stromerzeugung und Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt.

Man unterscheidet bei der Nutzung der tiefen Geothermie zwischen dem Hot-Dry-Rock-System, den hydrothermalen Dubletten und tiefen Erdwärmesonden.

Auch hier werden mittels Tiefbohrung die Eigenschaften des Bodens vor dem eigentlichen Ausbau einer geothermischen Anlage untersucht.

Hot-Dry-Rock-System

Das Hot-Dry-Rock-System wird genutzt, um Erdwärme aus einer Tiefe von 3.000 bis 6.000 Metern nutzen zu können. Dabei wird Wasser mit einem Druck von circa 150 bar in das Gestein in der Tiefe eingeführt. So weiten sich vorhandene Risse im Gestein und neue bilden sich aus.

Das Wasser fließt dann in diese Risse und entnimmt dem umgebenen Gestein die Wärme. Die Wärme wird vom Wasser aufgenommen und an die Erdoberfläche transportiert werden, wo diese dann umgewandelt und genutzt werden kann. Der Transport erfolgt durch Bohrlöcher und Rohre, ähnlich wie bei einer Erdwärmesonde.

Hydrothermale Dubletten

Hydrothermale Dubletten werden genutzt, um geothermische Wärme aus Aquiferen zu fördern.

Dabei wird ein ähnliches Prinzip wie bei geothermischen Brunnenanlagen verwendet. Das Grundwasser in der Tiefe erwärmt die Wärmeträgerflüssigkeit der Dubletten, die dann zur Wärmeversorgung genutzt werden kann. Der Unterschied liegt lediglich in der Tiefe. Die liegt nämlich bei hydrothermalen Dubletten zwischen 2.000 und 3.000 Metern.

Tiefe Erdwärmesonden

Eine weitere Art, Erdwärme zu fördern, ist eine tiefe Erdwärmesonde. Der Unterschied zu einer oberflächennahen Erdwärmesonde ist die Tiefe von 150 bis 2.000 Metern und der deutlich höhere Aufwand durch die tieferen Bohrungen.

Erdwärme – Überblick über die geothermischen Anlagen

Es gibt also verschiedene Wege Erdwärme effektiv zu nutzen. Ob oberflächennah oder tiefe Geothermie in Anspruch genommen wird, hängt unter anderem davon ab, wie die Wärme genutzt werden soll.

Abbildung 2: Geothermische Anlagen im Überblick

Hier siehst Du die verschiedenen Anlagen im Überblick. Am tiefsten werden Hot-Dry-Rock-Systeme eingebaut, Erdwärmekollektoren sind am nächsten zur Erdoberfläche.

Je nach Tiefe verändert sich die Temperatur des Bodens oder des Gesteins. Hot-Dry-Rock-Systeme arbeiten zum Beispiel mit Temperaturen zwischen 150 und 200 °C, während Erdwärmekollektoren lediglich mit einer Temperatur von 5 - 15 °C Wärme erzeugen können.

Erdwärme – Vorteile und Nachteile

Die Nutzung von Erdwärme bietet diverse Vorteile, aber auch Nachteile, die Du nicht übersehen solltest, wenn Du Dich über Geothermie informierst.

Erdwärme – Vorteile

Hat man eine geothermische Anlage errichtet, so ist sie eine sehr effektive Möglichkeit Energie zu gewinnen. Zudem sind solche Anlagen sehr langlebig und müssen lediglich in regelmäßigen Abständen gewartet werden.

Erdwärme ist zudem regenerativ, weil radioaktiver Zerfall im Erdinnern permanent stattfindet und der Erdkörper auch durchgehend von der Sonne bestrahlt wird.

Erdwärme gehört also zu den erneuerbaren Energien und ist daher fossilen Energieträgern vorzuziehen, da sie nicht endlich ist.

Auch ist Geothermie ist fast überall nutzbar und daher eignet sie sich optimal für Privatnutzer, die mit erneuerbaren Energien heizen möchten.

Erdwärme wird durch die Regierung finanziell gefördert. Dadurch werden die hohen Kosten für den Ausbau geringer.

Erdwärme – Nachteile

Der Ausbau von geothermischen Anlagen ist mit hohen Kosten verbunden. Je nach Materialbeschaffenheit und Bohrtiefe kostet die Tiefenbohrung allein schon zwischen 8.000 und 10.000 Euro. Dazu kommen noch weitere Kosten, wie die der Wärmepumpe und der Erdwärmesonden an sich.

Bei dem Bau einer Anlage, die mit Erdwärme arbeitet, müssen außerdem einige Genehmigungsverfahren durchlaufen und Gesetze wie das Bergrecht beachtet werden. Diese Verfahren und Rechte können aber gegebenenfalls umgangen werden, wenn man etwa die Bohrtiefe auf unter 100 Meter minimiert oder ein ausreichend großes Grundstück hat, um das Bergrecht nicht zu verletzen.

Auch ist der Ausbau einer geothermischen Anlage je nach Bodenbeschaffenheit mit sehr vielen Risiken verbunden oder gar nicht möglich.

Erdwärme – Vor- und Nachteile im Überblick

Tabelle 1: Vor- und Nachteile von Erdwärme

Erdwärme – Förderung

Durch die Bundesförderung energieeffizienter Gebäude, kurz BEG, fördert die Bundesregierung den Ausbau von erneuerbaren Energien und damit auch den von Geothermie.

Dabei wird sowohl der Umbau von Häusern als auch der Neubau von energieeffizienten Gebäuden gefördert.

Wenn mehr als 55 % des Energiebedarfs nach dem Umbau durch erneuerbare Energien gedeckt werden, so erhöht sich auch der Zuschuss. Die Förderquote eines Neubaus wird mit einem Nachhaltigkeitszertifikat – einer Auszeichnung für nachhaltiges Bauen – erhöht.

Die Förderung kann in Form von Zinsvergünstigung, Zuschüssen von Einzelmaßnahmen durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle oder Zuschüsse durch die KFW-Bankengruppe für den Neubau von energieeffizienten Gebäuden ablaufen.

Zuschüsse und die damit einhergehende Förderung können sowohl Privatpersonen, Unternehmen, als auch gemeinnützige Organisationen und Kommunen in Anspruch nehmen.