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Oberflächennahe Geothermie

Varianten der Oberflächennahen Geothermie. Quelle: AEE
Oberflächennahes geothermisches Potenzial in München. Quelle; TU München
EU shallow geothermal energy leage. Quelle: GeiPLASMA

Nach VDI 4640 ist geothermische Energie die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde.  

Die Oberflächennahe Geothermie nutzt diese durch Bohrungen bis ca. 400 Meter Tiefe und Temperaturen bis 25°C für das Beheizen und Kühlen von Gebäuden, technischen Anlagen oder Infrastruktureinrichtungen.

Die Wärmequelle kann gespeist bzw. erneuert werden durch

  • den natürlichen vertikalen Wärmestrom von unten
  • laterale Wärmeströme von der Seite
  • Grundwasserströmung
  • einen Wärmeeintrag durch die Erdoberfläche zusammen mit einem zeitlich negativen Temperaturgradienten (Temperaturabnahme mit der Tiefe). Der Eintrag kann durch Strahlung oder durch Wärmeaustausch durch die Oberfläche erfolgen.
  • Regen mit Temperaturen oberhalb der Untergrundtemperatur
  • erwärmte geerdete Bauteile (Keller, Gründungen)
  • Einspeisung mittels Erdwärmesonden (Regeneration, saisonale Speicher)
  • Sonstiges

Diese permanenten Einspeisungen machen Oberflächennahe Geothermie zu einer Erneuerbaren Energie.

Zur Gewinnung wird ein unterirdischer Wärmetauscher eingesetzt, in dem das Temperaturniveau abgesenkt wird, sodass die Wärme aus der Gesteins-Umgebung zum Wärmetauscher fließt (Temperaturtrichter). Eine Sonderform sind hier Grundwasserbrunnen, in denen durch das Pumpen eine Druckabsenkung (Drucktrichter) entsteht, sodass das Wasser zur Bohrung fließt.

Das bedeutet, Wasser oder eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert in einem geschlossenen Rohrsystem (Erdwärmesonde oder Kollektor, Ausnahme: Grundwasserbrunnen) im Untergrund und nimmt die Wärme aus dem Boden auf. Diese Wärme wird an der Oberfläche an die Wärmepumpe abgegeben und durch sie auf das zum Heizen notwendige Temperaturniveau angehoben. Bei offenen Systemen wird in einem flachen Brunnen die Wärme zusammen mit Wasser entnommen und dann nach Abkühlung wieder an den Untergrund zurückgegeben. Hierzu ist im Förderbrunnen eine Druckabsenkung nötig, die durch eine Förderpume realisiert wird (Drucktricher).

Der Untergrund kann aber ebenso direkt als Quelle für Klimakälte genutzt werden, was eine aufwendige Kälteerzeugung in Klimaanlagen spart (natural cooling).

Typische Systeme der Oberflächennahen Geothermie sind

Derzeit (2015) sind in Deutschland rund 400.000 oberflächennahe Geothermieanlagen in Betrieb und jedes Jahr kommen zahlreiche hinzu (Neuinstallationen 2018: 22.000 Anlagen).

Die Funktionsweise dieser Anlagen erklärt anschaulich auch diese Animation der Agentur für Erneuerbare Energien

Globale Situation

Ende 2019 wurden weltweit geschätzte 6,5 Millionen erdgekoppelte Wärmepumpen (Standardvergleichsgröße von 12 kW) mit einer thermischen Leistung von rund 77,5 GW genutzt. Die entsprechende Nutzwärmebereitstellung lag bei rund 600 PJ / 166,7 TWh (2019) (für 2018 berechnet: 71,8 GW, 534 PJ / 148,3 TWh). Die meisten Anlagen befinden sich in China, den USA, Schweden, Deutschland und Finnland.

Wegen der unterschiedlichen Betriebsweisen von Wärmepumpenanlagen ist in den USA eine höhere thermische Leistung im Vergleich zu Europa installiert; trotzdem wird dort weniger Nutzwärme bereitgestellt. Diese Unterschiede resultieren aus der Art der bereitgestellten Energie. So werden in großen Teilen der USA Wärmepumpen zur Kühlung eingesetzt; die Wärmebereitstellung hat hier nur eine untergeordnete Bedeutung. Die entsprechenden Wärmepumpenanlagen sind dann für eine Wärmebereitstellung deutlich überdimensioniert; dies führt zu geringeren Volllaststunden (USA: 2 000 h/a; Kapazitätsfaktor 0,23). In Europa werden aber erdgekoppelte Wärmepumpen primär zur Deckung der Wärmegrundlast ausgelegt; die Aggregate erreichen deshalb oft höhere Volllaststunden im Vergleich zu den USA (Europa: 3 000 h/a, Kapazitätsfaktor 0,34).

Die Technologie der erdgekoppelten Wärmepumpensysteme für eine Wärme- und gegebenenfalls Kältebereitstellung ist weitgehend ausgereift. Damit wird eine Marktausweitung primär durch die damit verbundenen Kosten im Vergleich zu den entsprechenden Alternativen determiniert. Damit dürfte dort, wo Strompreise und damit die Betriebskosten tendenziell hoch sind, die Absatzzahlen nur begrenzt steigen; auch benötigen derartige Systeme mit dem Ziel eines hocheffizienten Betriebs eine Niedertemperaturheizung (zum Beispiel Fußbodenheizung), die insbesondere in Bestandsbauten nicht immer vorhanden ist. Demgegenüber werden dort, wo Wärmepumpensysteme mit Photovoltaik kombiniert werden können / dürfen, die Absatzzahlen insbesondere im Neubaubereich tendenziell stark steigen, da dies häufig die kostengünstigste Option darstellt und es zudem ermöglicht, mit einem System zu Heizen und zu Kühlen.

Mit einer unterstellten durchschnittlichen Ausbaurate – in Anlehnung der Entwicklung der vergangenen Jahre – von 6 bis 8 %/a könnten bis 2025 eine installierte thermische Leistung erdgekoppelter Wärmepumpensysteme von 115 bis 125 GW erreicht werden; dies entspricht einer Wärmebereitstellung von rund 1 088 bis 1 375 PJ beziehungsweise 302,2 bis 381,9 TWh (2025). Bis 2030 ist mit einer installierten thermischen Leistung im dann vorhandenen Anlagenbestand von rund 150 bis 170 GW auszugehen (1 420 bis 1 870 PJ beziehungsweise 394 bis 519,4 TWh (2030)).

Situation in der EU

In der EU lag Ende 2019 die thermische Leistung aller installierten erdgekoppelten Wärmepumpen bei schätzungsweise bei rund 19 GW (für 2018 berechnet: 18,3 GW); mit diesem Anlagenpark wurden schätzungsweise rund 146 PJ beziehungsweise 40,6 TWh (2019) an Nutzwärme bereitgestellt (für 2018 berechnet: 140 PJ beziehungsweise 38,9 TWh). In der EU sind die größten Wärmepumpenmärkte Schweden, Deutschland und Finnland

Wird für die EU eine durchschnittliche Ausbaurate von 4 %/a unterstellt, könnte 2025 die installierte thermische Leistung bei 22 bis 26 GW liegen (169 bis 200 PJ beziehungsweise 46,9 bis 55,6 TWh (2025)). Bis Ende 2030 sind dann rund 26 bis 32 GW beziehungsweise 200 bis 246 PJ beziehungsweise 55,6 bis 68,3 TWh (2030) zu erwarten.

Literatur

VDI 4640

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank unter 'obeflächennah', 'near surface' oder 'shallow'.

Videos

https://www.youtube.com/watch?v=1r5UncXftHA

Weblinks

https://www.ingenieur.de/fachmedien/bwk/erneuerbare-energien/geothermie-energie-aus-den-tiefen-der-erde/

zuletzt bearbeitet November 2020