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Was ist Erdwärme?

Der Planet Erde hat ein riesiges Energiepotential, das bisher kaum genutzt wird. 99% der Masse unseres Planeten haben eine Temperatur von mehr als 1000°C. Diese Wärmeenergie stammt zum einen aus der Zeit der Erdentstehung, zum anderen aus radioaktiven Zerfallsprozessen in tiefen Bereichen der Erde. Ein kontinuierlicher Wärmestrom führt aus dem Erdinneren zur Erdoberfläche, wo die Wärme meist ungenutzt in die Atmosphäre und ins Weltall abgegeben wird. Neue Wärme wird durch fortlaufende radioaktive Zerfallsprozesse im Erdinneren, oberflächennah, aber auch durch großflächige Sonneneinstrahlung erzeugt. Erdwärme ist damit eine regenerative Energieform, deren technische Nutzung die Ausbeutung fossiler Brennstoffe und die Notwendigkeit der Nutzung von Kernenergie vermindert. Im Gegensatz zu vielen anderen regenerativen Energieformen ist Erdwärme grundlastfähig, steht also immer zur Verfügung und hängt nicht wie Solarenergie, Windkraft, Wasserkraft oder Biomasse vom Klima ab. Auch ist der Eingriff in die Natur durch das unterirdische Verbleiben des Großteils der technischen Komponenten extrem gering.

Erdwärme oder Geothermie (Fachbegriff für Erdwärme) kann auf vielfältige Art und Weise technisch genutzt werden. In Bereichen der Erdkruste mit hohen Temperaturen kann Erdwärme direkt zur Stromerzeugung verwandt werden. Das ist in vulkanisch aktiven Gebieten wie z.B. Island oberflächennah möglich, während man in den meisten Fällen auf Bohrungen tiefer als 1.000 m zurückgreift. In den meisten Gebieten Deutschlands herrschen bereits in einer Tiefe von etwa 20 m unabhängig von Klima und Wetter ganzjährig Temperaturen von 8-12°C.

 

Energie aus dem Inneren der Erde




Wärmequelle Erde
 Erdwärme kann zur Gebäudebeheizung genutzt werden. In den meisten Fällen kommen so genannte Wärmepumpen zum Einsatz (s. Link Wärmepumpe im Menü), die aus Untergrundtemperaturen von um die 10°C mit Hilfe eines geringen Anteils elektrischer Energie Heizungs- und Trinkwassertemperaturen von 35° bis 55°C erzeugen. Bei effizienter Planung lassen sich so 75-80% der Heizenergie kostenlos aus dem Boden gewinnen.
 

 Welche Bedeutung haben die unterschiedlichen Gesteine?

Viele Faktoren haben Einfluss auf die Planung einer Erdwärmeanlage.
Dazu gehören beispielsweise der zur Verfügung stehende Platz, wasser- und bergrechtliche Vorgaben der Behörden, der Energiebedarf, der gedeckt werden muss und die technische Ausstattung der Anlage.

Wesentlich bei der fachgerechten Planung von Erdwärmeanlagen (sei es zur Gebäudebeheizung oder zur Stromerzeugung) ist es, den nutzbaren Wärmestrom aus dem Untergrund richtig zu bestimmen!
Dieser Wärmestrom hängt wesentlich von der Wärmeleitfähigkeit der Gesteine ab, die im Untergrund anstehen. Als Wärmeleitfähigkeit versteht man das Vermögen eines Körpers (in diesem Fall des Gesteins) Wärme weiter zuleiten.

Langfristig sollte einer Erdwärmeanlage soviel Wärme zu fließen, wie im Heizungssystem verbraucht wird!!
Manche Gesteine haben niedrige Wärmeleitfähigkeiten. Werden diese bei der Planung nicht berücksichtigt und man entzieht über mehrere Jahre Wärme zur Gebäudebeheizung, sinkt die Untergrundtemperatur unter den Gefrierpunkt, die Effizienz der Anlage sinkt und die Stromkosten steigen. In Extremfällen kann die Anlage dann auch ausfallen.

Andere Gesteine haben sehr hohe Wärmeleitfähigkeiten, durch sie kann vergleichsweise viel Wärme der Erdwärmeanlage zufließen.
Werden diese Wärmeleitfähigkeiten bei der Planung nicht berücksichtigt, wird die Anlage überdimensioniert und zusätzliche, unnötige Investitionskosten verursacht. Dadurch erhöht sich der Zeitraum bis sich der Bau einer Erdwärmeanlage auszahlt teilweise um Jahrzehnte, während gut dimensionierte Anlagen sich bereits nach weniger als zehn Jahren amortisieren können.



Mergelschichten ("Bunte Mergel", Keuper)


Lambda = Wärmeleitfähigkeit in W/(mK)
  
Welche Gesteine befinden sich unter meinem Grundstück?

Die ältesten bekannten Gesteine der Erde haben ein Alter von etwa 4,2 Milliarden Jahren. Seit der Zeit ihrer Entstehung hat sich auf der Erde eine große Vielzahl von Gesteinen mit sehr unterschiedlichen Entstehungsgeschichten und Eigenschaften gebildet.
Die Wissenschaft der Erde und ihrer Gesteine wird als Geologie bezeichnet. Generell unterscheidet man Sedimentgesteine (Gesteine, die durch Ablagerung entstanden sind, z.B. Kalkstein und Sandstein), Magmatite (Gesteine, die aus halbflüssiger Schmelze entstanden sind wie z.B. Granit und Vulkangesteine) und Metamorphite (Gesteine, die sich unter Druck und bei hoher Temperatur in der Erdkruste aus anderen Gesteinen gebildet haben).

Daten darüber welche Gesteine unter demjeweiligen Grundstück zu erwarten sind, recherchieren unsere Geologen aus diversen Quellen.
Dazu gehören vor allem die geologischen Karten (meist im Maßstab von 1:25.000) der einzelnen Bundesländer, die Aufschlussarchive der geologischen Landesämter, die z.B. die in anderen Bohrungen angetroffenen Gesteine enthalten, und auch die Ergebnisse wissenschaftlicher Untersuchungen in den jeweiligen Regionen. Nicht zuletzt ist auch geologischer Sachverstand von Nöten, um beispielsweise schräg lagernde Schichten und Verwerfungen, also Risse an denen Gesteine gegeneinander versetzt sind, richtig zu beurteilen, um beim Bohren möglichst keine Überraschungen zu erleben.

Bei der Bewertung der Gesteine in Bezug auf ihre thermischen Eigenschaften greifen unsere Geologen dann meist auf bestehende Untersuchungen zurück. Dazu gehören zum einen wissenschaftliche Untersuchungen zur Wärmeleitfähigkeit der unterschiedlichen Gesteine im Labor.  Zum anderen Daten von so genannten Geothermal Response Tests, also Messungen der Wärmeleitfähigkeiten in bestehenden Erdwärmesonden. Auch Ergebnisse tiefenabhängiger Temperaturmessungen (Enhanced Geothermal ResponseTests, Erzhäuser Sonden) werden genutzt. In Großprojekten lohnt sich sogar die Erstellung von Probebohrungen, deren Ergebnisse dann in einer optimalen Bemessung der Anlage Anwendung finden.

 





Beispiel geologische Karten


Geothermal ResponseTest
 Welchen Einfluss hat Grundwasser?

Ebenso wie das Gestein transportiert auch das Grundwasser Wärme. Hierbei kann man zwei Formen des Wärmetransports unterscheiden. Wasser das den Porenraum und die Klüfte (Risse) des Gesteins füllt, erhöht dadurch wesentlich die Wärmeleitfähigkeit des Gesteins. Zum einen hat es eine sehr viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft, die ansonsten die Poren füllen würde, zum anderen bildet es auch Wärmebrücken zwischen den einzelnen Mineralkörnern. Weiterhin transportiert fließendes Grundwasser auch selbst Wärme an die Erdwärmeanlage heran und kann dadurch deren Leistung maßgeblich beeinflussen. Anlagen in fließendem Grundwasser kühlen deutlich langsamer ab und regenerieren sich z.B. bei Heizpausen im Sommer schneller.

Vergleichbar der Ermittlung der geologischen Ausgangsdaten in der Anlagenplanung werden zur Bewertung des Grundwassers Daten der geologischen Landesämter und auch der Wasserbehörden genutzt.

 
Karte HLUG    zur Standortbeurteilung
 Kann ich Erdwärme nutzen?

Prinzipiell ist Erdwärme für die meisten Gebäude nutzbar.
Neben den Rahmenbedingungen, die vom Energiebedarf des Gebäudes, der zur Verfügung stehenden Grundfläche und den Voraussetzungen des Untergrundes vorgegeben werden, gibt es auch noch rechtliche Vorgaben z.B. Wasserschutzgebiete, die die einsetzbare Technik beschränken.

Zur Ermittlung der Rahmenbedingungen ist die Erstellung einer geologischen Stellungnahme zu empfehlen!
In einer geologischen Stellungnahme werden auf Basis der von Gebäude und Grundstück vorgegebenen Parameter (z.B. Heizlastberechnung und Lageplan) detaillierte Informationen zu Geologie und Grundwasser erarbeitet. Es werden realistische Anlagenvarianten geprüft und im Rahmen der rechtlichen Vorgaben eine Empfehlung für die Anlagenzusammenstellung abgegeben.