Bei der CO₂-Sonde wird dem Erdreich Wärme entzogen. Als Wärmeträger kommt Kohlendioxyd zum Einsatz.

Durch Aufnahme der Erdwärme verdampft das flüssige CO₂ im Sondenrohr, steigt dadurch auf und gibt die Erdwärme in einem Wärmetauscher an das Arbeitsmittel der Wärmepumpe ab. Durch diese Wärmeabgabe wird das CO₂ wieder flüssig und fließt im Sondenrohr nach unten. Das Erdreich erwärmt das CO2, womit es wieder verdampft und aufsteigt. Dadurch ist ein kontinuierlicher Kreislauf gegeben. Da das CO₂ selbstständig zirkuliert, wird bei diesem energieeffizienten System keine zusätzliche Antriebsenergie benötigt.

Da CO₂ durch herkömmliche PE-Rohre diffundiert, besteht der Prototyp einer modernen CO₂-Sonde aus einem flexiblen, druckfesten spiralgewelltem Edelstahl-Wellrohr, da Eisen-, Stahl- oder Kupferrohre empfindlich gegenüber Korrosionsschäden sind. Der Durchmesser der heute in der Regel verwendeten Rohre beträgt zwischen 40 und 60,3 mm. Der CO₂-Flüssigkeitsfilm läuft an der Innenwand des Wellrohres spiralförmig, geschützt durch die Wendel, hinab. Nach der Verdampfung strömt das Gas im freien Querschnitt des Edelstahlwellrohrs ohne Behinderung des Films aufwärts zum Wärmetauscher, an dem es wieder kondensiert. Das Arbeitsmittel der Wärmepumpe zirkuliert als Wärmeträgermedium im Kühlkopf der CO₂-Sonde und kommt dort zum Verdampfen.

Derzeit wird hierbei an der technischen Lösung zur mehrfachen Anbindung einzelner CO₂-Erdwärmerohre an einen Wärmeüberträger zwecks Verflüssigung und Verteilung des flüssigen CO₂ auf mehrere Sonden geforscht. Weitere Untersuchungen gehen in Richtung erhöhter Sondentiefen von 400–600 m. Derzeit ist nach Kenntnisstand die 250 m tiefe CO₂-Sonde bei Triberg in den Graniten des  Schwarzwaldes am tiefsten.

Bei den neu konzipierten noch tieferen Sonden müssen der zunehmende hydrostatische Druck innerhalb der CO₂-Gassäule in der Sonde und auch die mit der Tiefe zunehmende Untergrundtemperatur bei der Auslegung stärker berücksichtigt werden. Außerdem kann es beim Betrieb von sehr langen CO₂-Sonden an den Wandungen der Sonde insbesondere bei erhöhter Wärmestromdichte zum Abriss
des CO₂-Flüssigkeitsfilms kommen.

Neben dieser sogenannten Einrohrsonde können CO₂-Erdwärmesonden auch als Zweirohrerdwärmesonden ausgeführt werden. Bei der Zweirohrsonde erfolgt eine Trennung von flüssiger und gasförmiger Phase durch zwei ineinander (koaxial) geführte Rohre. Das dampfförmige CO₂ steigt im äußeren Rohr zum Wärmetauscher auf, kondensiert und wird in das innere Rohr geleitet, an dem es wieder hinabläuft. Dadurch soll verhindert werden, dass der nach unten rieselnde Flüssigkeitsfilm bei zu geringem Rohrdurchmesser den nach oben steigenden CO2-Dampf behindert. Mit den CO₂- Zweirohrerdwärmesonden ist neben dem Heizen auch ein Kühlen möglich, wofür dann natürlich der Einsatz einer Pumpe notwendig wird.

Siehe auch Wärmerohr oder heat pipe.

Literatur

Stober, Ingrid; Kurt Bucher (2020): Geothermie, Springer Spektrum, 3. Auflage. ISBN 978-3-662-60939-2 ISBN 978-3-662-60940-8 (eBook). https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8.

zuletzt bearbeitet August 2020, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de