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Oberflächennahe Geothermie

Die Energiegewinnung aus der oberflächennahen Geothermie - hier wird auch der Begriff "untiefe Geothermie" verwendet - wird meist zur Wärmegewinnung von Wohn- und Geschäftshäusern eingesetzt. Es existiert eine beachtliche Anzahl an unterschiedlichen Anlagen, mit denen die oberflächennahe Erdwärme genutzt wird. Prinzipiell wird zwischen geschlossenen und offenen Anlagen unterschieden.

Geschlossene Systeme

Geschlossene Anlagen haben als Wärmeträgermedium meist ein Solegemisch aus Wasser und Glykol oder arbeiten nach dem Direktverdampferprinzip mit leicht flüchtigen Substanzen (z. B. Propan). Bei diesem Systemtyp gibt es zwei grundlegende Bauweisen: die vertikale und die horizontale Erdwärmegewinnungsanlage. Zu dem am häufigsten eingesetzten vertikalen Bautyp gehören die:

Erdwärmesonden

Für die Gewinnung von Nutzwärme im privaten Haushalt, in Unternehmen und grösseren öffentlichen Bauten ist die Erdwärmesonde der Klassiker unter den Geothermieanlagen. Meist kommen Erdwärmesonden bis in Tiefen von 250 m zum Einsatz. Werden Tiefen von über 400 m erreicht, so werden diese als Tiefensonden bezeichnet. Bei der Erdwärmesonde handelt es sich meist um ein u-förmiges oder um ein koaxial, also konzentrisch aufgebautes, Kunststoffrohr aus Polyethylen, welches mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist. Bei der Flüssigkeit handelt es sich normalerweise um eine Wasser/Glykol-Mischung. Neuerdings wird auch CO2 als wärmeübertragendes Medium eingesetzt. Zwar zirkuliert das CO2 ohne Hilfsenergie in der Sonde, dieser Sondentyp kann aber nicht mehr für die Raumkühlung im Sommer (Freecooling) eingesetzt werden. Zudem müssen die Sonden wegen der höheren Betriebsdrücke aus Metall gefertigt sein.

Einbringen einer Erdwärmesonde ins Bohrloch
Einbringen einer Erdwärmesonde ins Bohrloch

Der Raum zwischen Erdwärmesonde und Bohrlochwand ist normalerweise mit einer Bentonit/Zement-Mischung verfüllt. An eine Erdwärmesonde werden besondere Anforderungen gestellt. So darf sie im Kanton Aargau nicht in einem Grundwasserleiter installiert werden. Je nach Wärmebedarf wird die erforderliche Sondenlänge berechnet. In Verbindung mit den geologischen Befunden ergibt sich die Bohrtiefe bzw. Anzahl der Bohrungen.

Als Spezialfall einer Erdwärmesonde wird das Wärmerohr (Heat Pipe) angesehen. Bei dieser neueren Entwicklung handelt es sich um ein einfaches geschlossenes System, welches mit einem leicht verdampfbaren Wärmeträger (z. B. Kohlendioxid, Ammoniak) gefüllt ist. Der Wärmeträger verdampft im unteren Teil der Anlage und entzieht dabei der Umgebung die Wärme. Das nun gasförmige Medium steigt auf, kondensiert im oberen Teil des Wärmerohres und gibt dabei seine Wärme wieder ab. Dieser geschlossene Kreislauf ermöglicht einen pumpenfreien Betrieb. Wärmerohre sind i. d. R. nur als Wärmequelle einsetzbar.

Thermal Response Test (TRT)

Zur Ermittlung der effektiven Leistungsfähigkeit einzelner EWS kann ein Thermal Response Test durchgeführt werden. Damit lassen sich die Wärmeleitfähigkeit des Gesteins sowie die volumetrische Wärmekapazität bestimmen.

Energiepfähle (Aktivierte Gründungspfähle)

Energiepfähle dienen neben anderen erdberührenden thermoaktiven Bauteilen (TABS) zur Energiegewinnung und werden normalerweise in das Gebäudefundament integriert; folglich können sie nur bei Neu- oder Anbauten realisiert werden. Meist haben sie eine Doppelfunktion: an Orten mit instabilem Baugrund erhöhen sie dessen Belastbarkeit, gleichzeitig kann durch das eingebaute Sondensystem dem Untergrund Wärme bzw. Kälte entnommen resp. zugeführt werden. Die Einbindung von Energiepfählen erfolgt normalerweise in ein Gesamtenergiekonzept. Dabei spielen neben der Gebäudeheizung auch Punkte wie Klimatisierung und Temperierung eine wichtige Rolle. Vorteil eines Energiepfahls ist, dass keine teuren Bohrungen abgeteuft werden müssen. Im Vergleich zu einer Erdwärmesonde fallen somit geringere Kosten an. Bisher realisierte Anlagen haben Leistungen zwischen 10 und 800 kW. Werden sie in ein Fundament integriert, so muss die statische Funktion des Bauteils gewährleistet bleiben. Als Varianten des Energiepfahls gibt es noch Bohr- und Rammpfähle.

 

 

 

Neben den vertikalen Anlagen gibt es horizontale Erdwärmegewinnungsanlagen. Aufgrund der flachen Bauweise und der geringen Tiefe dieser Anlagen machen sich saisonale Temperaturänderungen infolge wechselnder Sonneneinstrahlung oder Niederschlägen bemerkbar. Horizontale Erdwärmegewinnungsanlagen haben naturgemäss einen grossen Flächenbedarf. Häufige Anlagentypen sind:

Erdwärmekollektoren (Erdwärmeregister)

Hierbei handelt es sich um horizontal verlegte Sondensysteme in denen ein Wasser/Glykol-Gemisch zirkuliert. Die Sonde besteht aus einem mehrere 100 m langen Kunststoffrohr bzw. kunststoffummantelten Kupferrohr, welches mindestens 20 cm unter der örtlichen Frostgrenze (meist >1 m) mäanderförmig verlegt wurde. In natura erinnert ein fertig ausgelegter Erdwärmekollektor an eine Fussbodenheizung. Aufgrund der Bauweise benötigen Erdwärmekollektoren deutlich mehr Fläche (Faustregel: etwa das Doppelte der zu beheizenden Fläche). Normalerweise kommen sie eher bei Neubauten in Frage bzw. in Bereichen, an denen keine Erdwärmesonden oder Grundwasser-Wärmepumpen realisiert werden können (z. B. Grundwasserschutzzone S3).

Erdwärmekörbe

Erdwärmekörbe (Messestand für geothermische Wärmenutzung)

Genau genommen handelt es sich dabei um eine Variante des Erdwärmekollektors. Hier werden die Kunststoffrohre wie bei einem Korb spiralig oder zylindrisch untereinander angeordnet. Es handelt sich also um eine Mischung aus einer vertikalen und horizontalen Wärmegewinnungsanlage. Darin liegt auch der Vorteil gegenüber einem Erdwärmekollektor begründet: eine Anlage mit Erdwärmekörben benötigt deutlich weniger Platz. Ein Erdwärmekorb (für ein normales Einfamilienhaus kommen meist mehrere Körbe zum Einsatz) muss komplett unterhalb der Frostgrenze installiert werden. Nach der Installation ist die Fläche, ähnlich wie beim Erdwärmekollektor, nur für eine Gartennutzung geeignet.

Sonstige Systeme

Seltener werden Erdwärmegräben (auch hier werden Kunststoffrohre horizontal verlegt) oder Energieschlitzwände (wie beim Erdwärmekorb werden hier horizontal und vertikal Kunststoffrohre verlegt) als Erdwärmegewinnungsanlagen installiert. Auf diese gelegentlich eingesetzten Systeme wird hier nicht näher eingegangen.

Offene Systeme

Eine besonders effiziente Art der Erdwärmegewinnung ist die direkte Nutzung von Grundwasser. Für diese Technik kommen Brunnensysteme zum Einsatz. Die mit Abstand am häufigsten eingesetzten Wärmegewinnungsanlagen dieser Kategorie sind:

Grundwasser-Wärmepumpen (GWWP)

Steht Grundwasser zur Verfügung und kann dieses auch rechtlich genutzt werden (bewilligungspflichtig), so eignet es sich wegen der meist sehr konstanten Temperatur von 10 bis 13 °C zur Nutzung als Wärmequelle. Hierbei wird das thermisch genutzte Wasser aus einem Förderbrunnen direkt dem Grundwasser (Aquifer) entnommen. Eine Wärmepumpe entzieht dem gewonnenen Wasser meist 3 bis 4 K, in Ausnahmefällen können bis 6 K entnommen werden. Das auf 6 bis 9 °C abgekühlte Wasser wird anschliessend über einen Schluckbrunnen, Versickerungsschacht oder eine Sickergalerie in den Grundwasserleiter, in seltenen Fällen direkt in den Vorfluter (Fluss, See) zurück gegeben. Üblicherweise handelt es sich um Zirkulationsraten von einigen wenigen Litern pro Sekunde.

Grundwassererschliessungsbohrung mit dem Einbringen des Förderrohrs ins Bohrloch
Grundwassererschliessungsbohrung mit dem Einbringen des Förderrohrs ins Bohrloch

Im Vorfeld werden vom qualifizierten Ingenieurbüro grundlegende Anlagenparameter wie die Reichweite des Absenktrichters und Ergiebigkeit des Förderbrunnens durch Pumpversuche ermittelt. Daneben sollten unbedingt qualitative Wasseruntersuchungen durchgeführt werden, damit frühzeitig klar ist, ob beim Betrieb der Anlage mit Ausfällungen durch den Zutritt von Sauerstoff zu rechnen ist.

Die Brunnentiefe beträgt je nach Lage und Mächtigkeit des Aquifers und der Durchlässigkeit des zu erschliessenden geologischen Untergrundes zwischen wenigen Metern bis einigen 10er Metern. In Ausnahmefällen kann das erschlossene Grundwasser auch tiefer liegen (siehe Forschung & Entwicklung).

Für die Realisierung einer GWWP-Anlage für Heiz- und Kühlzwecke haben wir ein Handbuch [3'156 KB] zum Download bereit gestellt.

Tunnelgeothermie

Hier fällt die geothermische Energie eher als Nebenprodukt an. Je nach Lage und Mächtigkeit der Überdeckung kann das drainierte Gebirgswasser eines Tunnels zwischen 12 und 24 °C, seltener auch mehr betragen. Bei ausreichender Ergiebigkeit ist eine geothermische Nutzung dieser Wärmequelle durchaus rentabel. Gerade für die Schweiz ist die Tunnelgeothermie eine vielversprechende Möglichkeit, kostengünstig Erdwärme zu gewinnen. 2003 gab es in der Schweiz bereits sechs Anlagen, welche diese Art der Energiegewinnung durch Bauwerksentwässerung oder Verwertung der erwärmten Abluft nutzen. Als Beispiele für erfolgreiche Tunnelgeothermie-Projekte seien hier die Eisenbahntunnel Furka (Wallis), Riecken (St. Gallen) und der Hauenstein Basis-Bahntunnel in Trimbach (Solothurn) oder der Strassentunnel durch den St. Gotthard (Uri/Tessin) erwähnt. Daneben könnten in Zukunft geschlossene Systeme in die Tunnelschale integriert werden. Entsprechende Energienutzungskonzepte können unter Umständen auch für Bergwerke interessant sein.

 

Sonstige Systeme

Einige Erdwärmegewinnungsanlagen stellen eine Kombination aus geschlossenem und offenem System dar. Andere Anlagen sind in der Schweiz nur unter Einhaltung strenger Auflagen oder prinzipiell nicht zulässig. Zu ihnen gehört beispielsweise der Koaxialbrunnen. In diese bis zu 250 m tiefen Brunnen wird ein Steigrohr eingebracht. Im einfachsten Falle wird der Ringraum um das Steigrohr mit Kies verfüllt. Sickert nun das von der Wärmepumpe kommende, abgekühlte Wasser durch die Kiespackung des Ringraumes in die Tiefe, so erwärmt es sich wieder. Am Ende des Rohres wird das Wasser wieder zur Wärmepumpe gefördert.

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