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Tiefe, mitteltiefe Erdwärmesonde

Beispiel einer bis ins Salz abgeteuften Tiefen Erdwärmesonde. Quelle: LLUR

Bohrkopf der Erdwärmesonde Prenzlau. Quelle: Stadtwerke

Wärmepumpe zur Erwärmesonde Prenzlau. Quelle: Stadtwerke

Eine tiefe Erdwärmesonde ist eine Tiefbohrung mit eingehängtem Wärmetauscherrohr, in dem eine Wärmeträgerflüssigkeit (z. B. Wasser) zirkuliert. Das Wasser erhitzt sich an den Außenwänden der Bohrung und wird über ein wärmeisoliertes Innenrohr wieder an die Oberfläche befördert (Koaxialanordnung).

Tiefe Erdwärmesonden sind vertikal geschlossene Wärmetauscher (closed loop), installiert in Bohrungen von mehr als 400 m Tiefe. Sie verwenden eine mit den flachen Erdwärmesonden vergleichbare Technik. In einer tiefen Erdwärmesonde zirkuliert ein Wärmeträgermedium in einem geschlossenen System bis zu Tiefen von ca. 3.000 m. Durch Wärmeleitung aus dem Gestein über die Verrohrung und das Hinterfüllmaterial der Sonde erfolgt die Wärmeübertragung auf das in der Sonde zirkulierende Fluid. Im Ringraum eines Doppelrohrsystems (Koaxialrohr) wird das kalte Fluid mengengeregelt nach unten geleitet.

Bei seiner langsamen Bewegung (5 – 65 m/min) erwärmt sich das Fluid konvektiv und steigt aufgeheizt im isoliert ausgeführten Innenrohr nach oben. Vom Sondenaustritt gelangt das warme Fluid in die oberirdische Nutzungsanlage, wo es auf ca. 15 °C ausgekühlt und mit einer Sondenkreispumpe wieder in den Ringraum zurückgeführt wird. Als Fluid wird häufig Ammoniak eingesetzt. Durch den Wärmeentzug kühlt sich das Umgebungsgestein etwas ab; es entsteht ein vorwiegend horizontaler Temperaturgradient, der das Nachfließen von Wärme aus der weiteren Umgebung zur Folge hat.

Tiefe Erdwärmesonden sind nicht auf gut durchlässige Grundwasserleiter angewiesen und können daher theoretisch nahezu überall installiert werden. Für das Verfahren bieten sich wegen der hohen Investitionskosten bereits vorhandene Tiefbohrungen an. Da tiefe Erdwärmesonden einen geschlossenen Kreislauf besitzen, erfolgt kein Eingriff in Stoffgleichgewichte des Gebirges. Lösungs- oder Fällungsreaktionen, wie sie bei hydrothermalen Systemen oder bei Hot-Dry-Rock-Systemen auftreten können, sind ausgeschlossen.

Leistung

Augrund von Ergebnissen bei realisierten Sonden und aufgrund von Modellrechnungen ergeben sich Leistungen zwischen 60 und 110 W/m (genutzer Bohrlochabschnitt). Hieraus errechnen sich für Bohrungen von 1000 bis 3000 m Länge Gesamtleistungen zwischen 60 und 330 kW. Die Leistung hängt u.A. von der Durchflussrate, aber auch von der Nutzungszeit ab. Tendenziell wird sie im Laufe der Zeit (etwa nach 30 Jahren) etwas kleiner.

Beispiele tiefer oder mitteltiefer Erwärmesonden

Seit dem 10. November 1994 ist die Tiefe Erdwärmesonde in Prenzlau mit einer Tiefe von 2786 Metern und einer Heizleistung ohne Wärmepumpe von 120 kW bei einer Gesteinstemperatur von 108 °C in Betrieb. Die Wärmeleistung ohne Wärmepumpe beträgt 150 kW. Die Koaxialrohrsonde besitzt eine aktive Oberfläche für die Wärmeübertragung von 1.463 m², ein isoliertes Innenrohr dient zur Medienführung nach oben, wo die Wärme über einen oberirdischen Plattenwärmeübertrager an den Heizungskreislauf abgegeben wird. Der Innendurchmesser der wärmeaustauschenden Rohrtour beträgt bis 950m 9 5/8 “, danach bis zur Endteufe 6 5/8“. Die Tiefe Erdwärmesonde in Prenzlau ist einer gasbefeuerten Heizkesselanlage vorgeschaltet, zur Trinkwassererwärmung dient eine Wärmepumpe mit 28,5 kW.
Die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) in Aachen hat im Rahmen des Baus des Studentischen Servicecenters "Super C" im November 2004 mit einer Erdwärmesonde eine Tiefe von 2500 m erreicht. Nach Problemen mit der Einbringung des Steigrohrs blieben zudem die thermische Leistung weit hinter den Erwartungen zurück. Das Gestein um das Bohrloch kühlte sich rascher ab als dies für eine nachhaltige thermische Bewirtschaftung des Bohrloches nötig gewesen wäre. Das Projekt wurde daher im September 2014 endgültig als gescheitert erklärt.
In Arnsberg im Sauerland wurde eine rund 3 km tiefe Sonde gebohrt. Hier führten Probleme mit der Einbringung des Steigrohrs zu erheblichen Bauverzögerungen. Danach wurde ein ganz neues Sonden -Förderrohr mit einer konzentrischen Sonde als innerem Rohr für die tiefe Erdwärmebohrung berechnet, simuliert und entwickelt. Die dann eingesetzte Sonde besteht aus einem Stahl–Außenrohr zur Aufnahme der Kräfte und einem Polypropylen-Innenrohr für erhöhte Wärmedämmung. Das im Untergrund, in einer Tiefe von 2.835 m, erhitzte Wasser steht mit ca. 55 °C an der Oberfläche und einer Förderrate von 5,6 l/s zur Verfügung. Die Arnsberger Tiefe Erdwärmesonden-Anlage liefert bei einer Leistung von 350 kW thermisch jährlich etwa 2,1 Millionen kWh zur Erwärmung von Raumluft, Becken- und Brauchwasser im Freizeitbad NASS.
Im südhessischen Heubach bei Groß-Umstadt wurden 2011 acht oberflächennahe Erdwärmesonden mit Tiefen von 90 bis 138 m und eine Tiefenerdwärmesonde mit einer Tiefe von 773 m miteinander kombiniert. Die Geothermie-Anlage in Heubach heizt und kühlt den neuen Produktionsstandort (6.000 m² Produktionshallen & 1.400 m² Büroräume) von Frenger Systemen BV, einem Hersteller von Deckensystemen für Strahlungsheizungen, Kühldecken und Kühlkonvektoren. Die technischen Herausforderungen der Tiefenbohrung waren groß, das Gestein war oft härter als erwartet, und an einer Stelle in 320 Meter Tiefe wiederum so porös, dass es einbrach. Zum Einsatz kommen 2 Wärmepumpen vom Typ Viessmann Vitocal 300 mit 1 x 88 kW und 1 x 42,8 kW Leistung, Solarthermie für Brauchwasser und als Redundanz eine 200 kW starke Hackschnitzelheizung. Eine 755 kW_p große Photovoltaikanlage trägt zur Stromversorgung bei.
Im rheinland-pfälzischen Landau hat die Energieagentur EnergieSüdWest AG 2014 eine Erdwärmesonde in 800 m Tiefe installieren können. Aufgrund der hohen Leistung der Tiefensonde von 80 kW und Rücklauftemperaturen von 40 Grad Celsius konnte auf eine Wärmepumpe verzichtet und ein angrenzendes Autohaus direkt über eine Flächenheizung temperiert werden.

Literatur

Huber, R.: Mitteltiefe Erdwärmesonde, Typ Grundag Symplex. Aarau: 1998

Horne, R.N., and K. Shinohara. "Wellbore Heat Loss in Production and Injection Wells." J Pet Technol 31 (1979): 116-118. doi: https://doi.org/10.2118/7153-PA

Ramey, H.J.. "Wellbore Heat Transmission." J Pet Technol 14 (1962): 427-435. doi: https://doi.org/10.2118/96-PA

Koltzer, Nora, Johannes Schoenherr, Maximilian Sporleder, Jan Niederau, Florian Wellmann: Repurposing idle wells in the North German Basin as deep borehole heat exchangers . In: Geothermal Energy (2024), DOI: https://doi.org/10.31223/X5F99Z

Kolo, I., Brown, C.S., Nibbs, W. et al. A comprehensive review of deep borehole heat exchangers (DBHEs): subsurface modelling studies and applications. Geotherm Energy 12, 19 (2024). https://doi.org/10.1186/s40517-024-00297-3