Flache Geothermie

Unter flacher beziehungsweise oberflächennaher Geothermie versteht man die Nutzung natürlicher Wärmeenergie, die in der oberen Schicht der Erdoberfläche, etwa 400 Meter tief, gespeichert ist. Diese Form der Geothermie ist nahezu überall einsetzbar, da sie das ganze Jahr über verfügbar und unabhängig von klimatischen Bedingungen ist. Die Gewinnung dieser Erdwärme erfolgt typischerweise über Erdkollektoren, Erdwärmesonden oder Grundwasserbrunnen. 

Die Temperatur in den obersten 10 bis 15 Metern des Erduntergrunds wird stark von der Sonneneinstrahlung, der Lufttemperatur und atmosphärischen Einflüssen wie Regenwasser beeinflusst. Bis zu einer Tiefe von etwa 50 Metern bleibt die Temperatur relativ konstant bei etwa 10 °C. In größeren Tiefen führt der natürliche Wärmefluss aus dem Erdinneren dazu, dass die Temperaturen im Untergrund pro 100 Meter Tiefe um etwa 3 °C ansteigen.

Die oberflächennahe Geothermie wird hauptsächlich zur Heizungs- und Warmwasserversorgung von Wohnhäusern, Gewerbegebäuden und anderen Bauwerken genutzt. Die weltweite Nutzung dieser nachhaltigen Energiequelle reduziert den Bedarf an fossilen Brennstoffen und trägt zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei. Was die Kosten für oberflächennahe Geothermie angeht, so variieren diese je nach Standort und Technologie. In Deutschland stammen bislang nur rund 9 % der aus erneuerbaren Quellen erzeugten Wärme aus oberflächennaher Geothermie, obwohl potenziell alle Lockergesteinsbereiche außerhalb von Schutzgebieten (ca. 30% der Fläche Deutschlands) dazu sehr gut geeignet sind. 

Erdwärmesonden

Erdwärmesonden, auch Energiepfähle genannt, sind eine gängige Technologie in der oberflächennahen Geothermie. Für die flache Erdwärmesonde wird eine vertikale Bohrung in den Untergrund gebohrt und mit einem Doppel-U-Rohr versehen. Diese Rohre sind mit einem Wärmeträgerfluid, meist Wasser mit Frostschutzmittelzusatz, gefüllt, um die Erdwärme aufzunehmen und zu einer Oberflächenwärmepumpe zu transportieren. In Deutschland werden Erdwärmesonden typischerweise in Tiefen von 50 bis 160 Metern installiert. 

Der Durchmesser einer Sonde beträgt etwa 12 Zentimeter, sodass der Betrieb von Erdwärmesonden nur wenig Platz einnimmt. Bei dieser Methode ist die Wärmeentzugsleistung, das heißt die Menge an Wärmeenergie, die aus dem Inneren pro Zeiteinheit entnommen werden kann, besonders hoch.

Grundwasser Wärmepumpen und -brunnen

In Deutschland liegen die natürlichen Temperaturen des Grundwassers das ganze Jahr über konstant zwischen 8 und 11 °C und abhängig von den hydrogeologischen Verhältnissen vor Ort hat sich Grundwasser als energieeffiziente thermische Wärmequelle erwiesen. Um diese natürliche Ressource effektiv zu nutzen, sind normalerweise zwei Brunnen mit einer Tiefe von etwa 20 Metern notwendig. Diese Brunnenanlagen pumpen das Grundwasser an die Oberfläche, wo die Wärme des Wassers durch einen Wärmetauscher übertragen wird. Anschließend zirkuliert das Grundwasser über Schluckbrunnen wieder in den Erdboden. 

Grundwasser Wärmepumpen sind in der Regel ab einem gewissen Mindestwärmebedarf (z. B. ca. 35 kW) wirtschaftlich sinnvoll und effizient. Das macht sie besonders in großen Gebäuden attraktiv. Ist der Grundwasserstand ausreichend, kann eine Grundwasserbrunnenanlage in Verbindung mit Wärmepumpen auch zur Versorgung eines gesamten Wohngebietes genutzt werden. 

Je nach Wahl der Geothermieanlage und der Wärmequelle belaufen sich die Investitionskosten einer Wärmepumpe auf 18.000 bis 23.000 €. Die Effizienz der Geothermie-Heizsysteme wird maßgeblich von der Vorlauftemperatur beeinflusst, da sie bestimmt, wie viel Wärmeenergie aus dem Erdreich gewonnen werden kann, und somit direkten Einfluss auf die Jahresarbeitszahl nimmt.

Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren sind eine effiziente Möglichkeit, geothermische Energie nahe der Erdoberfläche zu nutzen. Sie werden schlangenlinienförmig oder als Körbe in einer Tiefe von 80 bis 160 Zentimetern in den Boden verlegt. Wie bei Erdwärmesonden fließt auch bei diesem System ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Zwar unterliegt der Boden in diesen Tiefen saisonalen Temperaturschwankungen, die sich auf die Untergrundtemperatur auswirken. Aber selbst im Winter sind die Temperaturen in diesem Untergrund noch warm genug, damit die Wärmepumpen effizient arbeiten können. 

Flache und tiefe Geothermie im Vergleich

Geothermie als erneuerbare Energiequelle bietet je nach Nutztiefe zwei Hauptanwendungen: oberflächennahe Geothermie und tiefe Geothermie. Die thermische Leistung variiert je nach Art der Geothermie. Weitere Unterschiede sind:

1. Bohrtiefe:

• Flache Geothermie: nutzt Energie bis zu einer Tiefe von 400 Metern. 
• Tiefengeothermie: Im Gegensatz dazu wird diese Energie aus höherer Tiefe, oft mehreren Kilometern unter der Erdoberfläche, gewonnen. 

2. Temperaturunterschied:

• Flache Geothermie: Die Temperaturunterschiede in flachen Bereichen sind eher moderat und eignen sich vor allem für Heizzwecke und die Warmwasserbereitung. 
• Tiefengeothermie: In tieferen Schichten sind deutlich höhere Temperaturen vorhanden. Dies ermöglicht die Stromerzeugung und Fernwärme, wodurch die Tiefengeothermie für vielfältige Anwendungen geeignet ist. 

3. Anwendung:

• Oberflächennahe Geothermie: Wird häufig für einzelne Gebäude und kleine Heiz- und Kühlanwendungen in Betrieb genommen. 
• Tiefengeothermie: Damit können große Wohngebiete, Industriegebiete und sogar Energieerzeugungsanlagen mit Strom versorgt werden. 

4. Investition und Aufwand:

• Oberflächennahe Geothermie: Bohrlöcher sind flach und erfordern oft weniger Investitionen und Bohraufwand. 
• Tiefengeothermie: Eine Bohrung in größeren Tiefen ist technisch anspruchsvoller und benötigt für den Betrieb hohe Investitionen und mehr Fachwissen. 

5. Umweltauswirkungen:

• Oberflächennahe Geothermie: Hat insbesondere bei hohen Entzugsleistungen potenziell relevante Auswirkungen auf das Grundwasser, was zu Konflikten mit Grundwassernutzung und Kontaminationen führen kann. 
• Tiefe Geothermie: Tiefengeothermie-Bohrungen haben in der Regel bei fachgerechter Ausführung keine Auswirkungen auf die Umwelt und ermöglichen eine höhere Energieproduktion.

Geothermie Deutschland und weltweit

Oberflächennahe Geothermie als erneuerbare Wärmequelle hält in Deutschland einen Anteil von rund neun Prozent der erneuerbar erzeugten Wärme (Quelle: https://de.statista.com/themen/1237/geothermie/#topicOverview) . Was die Stromerzeugung durch Tiefengeothermie angeht, wurden im Jahr 2022 etwa 245 Gigawattstunden (Quelle: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/233222/umfrage/stromerzeugung-aus-geothermie-in-deutschland/) in Geothermiekraftwerken erzeugt. Der Ausbau von Geothermiekraftwerken ist aufgrund hoher Kosten und geologischer Einschränkungen allerdings schwierig, aufgrund des Klimawandels jedoch erforderlich.

Obwohl die Geothermie in Deutschland und großen Teilen der EU noch wenig verbreitet ist, spielt sie eine wichtige Rolle bei der Wärme- und Stromerzeugung aus regenerativen Quellen und soll bis 2030 stark ausgeweitet sowie gefördert werden. Weltweit betrug die Leistung aller Geothermieanlagen im Jahr 2022 insgesamt etwa 14,9 Gigawatt (Quelle: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1043970/umfrage/geothermie-installierte-leistung-weltweit/).

Oberflächennahe Geothermie Vor- und Nachteile 

Vorteile:

• Unerschöpfliche erneuerbare Energie
• Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle
• Anlage zur witterungsunabhängigen Energiegewinnung
• Umweltfreundlich, da geringer CO2-Ausstoß
• Hohe Effizienz und Leistung

Nachteile:

• großer Flächenbedarf
• Begrenzte geologische Voraussetzungen
• Einschränkungen in Schutzgebieten

Förderung Geothermie

Geothermiesysteme zur Wärmeerzeugung (Wärmepumpen) werden durch Marktanreizprogramme gefördert. Diese Market Incentive Programs (MAP) haben das klare Ziel, den Einsatz erneuerbarer Energien zur Wärmeerzeugung zu fördern und die Einführung kompatibler Technologien in Wärmemärkten zu unterstützen. Rechtlich verankert ist diese Finanzierungsmaßnahme im Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EEWärmeG). Ebenso relevant für die geothermische Wärmeerzeugung ist das neue Heizungsgesetz (Gebäudeenergiegesetz), nach dem reine Öl- und Gasheizungen ab 2024 in der Regel nicht mehr eingebaut werden dürfen. Gestützt durch das Gesetz, werden beim Einbau neuer Heizungen in Zukunft vermehrt erneuerbare Energien gefördert, so auch Wärmepumpen. Weiterefürende Infos zum Heizungsgesetz: https://www.energiewechsel.de/KAENEF/Redaktion/DE/Dossier/geg-gesetz-fuer-erneuerbares-heizen.html?etcc_cmp=energiewechsel&etcc_med=sea&etcc_par=google%20ads&etcc_ctv=vwegweisergeg&et_cmp_seg4=zwide

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