Geothermie: Versteckte Energie in der Erde entdecken

Die Geothermie bietet eine vielseitige Nutzungsmöglichkeit, sei es zum Heizen, Kühlen oder sogar zur Stromerzeugung. Doch wie genau wird aus Erdenergie Strom gewonnen? In diesem Artikel erfährst du, wie es funktioniert und was hinter der Geothermie steckt.

Was ist Geothermie?

In ungefähr 6400 Kilometern Tiefe befindet sich der Mittelpunkt der Erde, der laut Spektrum eine Temperatur von 4600 bis 4700 Grad Celsius aufweist. Die genaue Hitze im Erdinneren kann bisher nicht gemessen werden, da die tiefsten Bohrungen nur etwa zwölf Kilometer tief reichen. Dennoch ist klar, dass der Erdkern eine immense Energiequelle darstellt.

Aber nicht nur der Erdkern selbst hat hohe Temperaturen, auch mit zunehmender Tiefe nimmt die Temperatur der Erde um etwa drei Grad Celsius pro hundert Meter zu. Diese Faustregel für Mitteleuropa stammt vom Bundesverband für Geothermie. Die Erdwärme steigt permanent an die Oberfläche und strahlt von dort aus in den Weltraum ab.

Die Geothermie nutzt diese Erdwärme und wir können sie zum Heizen, Kühlen und zur Stromerzeugung verwenden. Es gibt zwei verschiedene Arten der Nutzung, je nach Tiefe der Bohrung:

• Bei der oberflächennahen Geothermie wird Energie aus bis zu 400 Metern Tiefe genutzt.
• Bei der Tiefengeothermie stammt die Energie aus mehreren Kilometern Tiefe.

Wie funktioniert die oberflächennahe Geothermie?

Die oberflächennahe Geothermie reicht bis zu einer Tiefe von 400 Metern und kann zum Heizen, für Warmwasser oder zur Kühlung genutzt werden, wie das Informationsportal Erneuerbare Energien erklärt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die oberflächennahe Geothermie zu nutzen:

• Die am häufigsten verwendete Methode ist die Erdwärmesonde. Dabei handelt es sich um eine Bohrung, die normalerweise 50 bis 160 Meter in die Tiefe reicht und einen Durchmesser von zwölf Zentimetern hat. In die Bohrung wird ein U-förmiges Rohr mit einer Flüssigkeit, meistens Wasser mit einem Frostschutzmittel, eingebaut. Die Flüssigkeit erwärmt sich im Erdinneren und transportiert die Wärme mit Hilfe einer Wärmepumpe nach oben. Für ein Einfamilienhaus sind in der Regel ein bis zwei solcher Bohrungen erforderlich.

• Eine Variante der Erdwärmesonde sind mit flüssigem CO2 gefüllte Erdwärmerohre. Der Vorteil dieser Rohre besteht darin, dass sie keine Energie zum Pumpen benötigen: CO2 wird gasförmig, wenn es sich erwärmt, und steigt von selbst nach oben.

• Für größere Gebäude mit höherem Wärmebedarf werden Erdwärmesondenfelder angelegt. Dabei wird die Wärmeleitfähigkeit des Bodens berechnet, um den optimalen Abstand und die optimale Anzahl der Sonden zu bestimmen.

• Eine weitere Möglichkeit sind Grundwasserwärmepumpen oder Grundwasserwärmebrunnen. Diese Systeme funktionieren am besten, wenn das Grundwasser eine möglichst konstante Temperatur aufweist. Bei einem Grundwasserwärmebrunnen wird das Grundwasser an die Erdoberfläche gepumpt, gelangt ins Gebäude und kehrt durch einen zweiten Brunnen, den Schluckbrunnen, wieder zurück in den Boden. Solche Anlagen erfordern häufig Filter und eignen sich daher für größere Gebäude.

• Erdwärmekollektoren werden in Schlangenlinien horizontal im Boden verlegt und befinden sich in einer Tiefe von 80 bis 160 Zentimetern. Wie die Erdwärmesonden enthalten auch Erdwärmekollektoren in der Regel Wasser mit Frostschutzmittel. Da sie oberflächennäher sind, übertragen sie im Winter teilweise weniger Wärme, da sie stärker von niedrigen Lufttemperaturen betroffen sind.

• Energiepfähle sind Rohre, die bereits bei der Errichtung als Wärmetauscherrohre in den Beton eingebaut werden. Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass kein zusätzlicher Aufwand beim Bau erforderlich ist.

Das Herzstück der oberflächennahen Geothermie: Die Erdwärmepumpe

Alle diese Systeme sind mit einer Erdwärmepumpe verbunden:

• Die Erdwärmepumpe enthält ein Gas, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft, was durch die Geothermie ermöglicht wird.
• Ein elektrisch betriebener Kompressor erhöht den Druck auf das Gas, wodurch dessen Temperatur weiter ansteigt.
• Ein Wärmetauscher nimmt die Wärme auf und gibt sie an das Heizsystem deines Hauses ab.
• Das Gas kondensiert, nachdem es die Wärme abgegeben hat, und fließt zurück, um erneut erwärmt zu werden.

Übrigens funktioniert ein Kühlschrank nach dem gleichen Prinzip, nur dass er die Wärme nach außen abgibt. Daher ist es meistens warm hinter einem Kühlschrank.

Tiefengeothermie: Wärme für ganze Stadtviertel

Neben der oberflächennahen Geothermie gibt es auch die tiefe Geothermie, die in Tiefen von bis zu fünf Kilometern vordringt. Diese Anlagen sind in der Regel größer und leistungsfähiger, erklärt das Umweltbundesamt. Sie können Wärme für ganze Stadtviertel liefern oder bei ausreichend hohen Temperaturen sogar Strom erzeugen. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der oberflächennahen Geothermie, jedoch reichen die Erdwärmesonden entsprechend tiefer in den Boden hinein.

Um Strom zu erzeugen, wird das heiße Wasser aus der Tiefe in ein Kraftwerk geleitet. Dort verdampft es, und der entstandene Dampf treibt Turbinen an. Die Bewegung erzeugt wiederum Strom.

Vorteile und Nachteile der Geothermie

Die Geothermie ist eine klimafreundliche Methode zum Heizen. Eine Studie des GeoForschungsZentrums Potsdam bewertet die lokalen Umwelteffekte von Geothermie:

• Es werden keine negativen Auswirkungen durch schädliche Stoffe erwartet.
• Die Auswirkungen auf das Bodenleben rund um die Wärmesonden oder die Erdwärmekollektoren sind noch nicht vollständig erforscht. Dies wäre jedoch nur in den obersten zehn Metern ein Problem, da es darunter kaum noch Bodenlebewesen gibt.
• Beim Rückbau einer Erdwärmeanlage wird prognostiziert, dass sich die genutzte Fläche zu 95 Prozent regeneriert. Der ursprüngliche Zustand stellt sich also nach einer gewissen Zeit nahezu vollständig wieder ein.
• Wenn die entsprechenden Vorschriften eingehalten werden, ist es unwahrscheinlich, dass sich das Grundwasser verändert.

Zwar gibt es einige Nachteile und in der Vergangenheit sind Schäden aufgetreten:

• Großer Flächenbedarf für horizontal angelegte Erdwärmekollektoren.
• Hohe Kosten für den Bau einer Anlage.
• Kritiker betrachten Geothermie als gefährlich. Dies liegt unter anderem daran, dass es bekanntermaßen negative Folgen aufgrund von Geothermie gab. Die Stadt Staufen beispielsweise entschied im Jahr 2007, Erdwärme zur Beheizung des Rathauses zu nutzen und bohrte sieben Erdwärmesonden von bis zu 140 Metern Tiefe. Einige Zeit später wurden in der Altstadt Risse in Gebäuden festgestellt. Die Ursache für diese Risse waren undichte Erdwärmesonden. Experten weisen jedoch darauf hin, dass dies auf handwerkliche Fehler zurückzuführen war.
• Aufgrund von Geothermiebohrungen kam es Ende 2020 in Nordfrankreich zu leichten Erdbeben, was zur Einstellung der Bohrungen führte. Die in Frankreich verwendete Technik wird hier in Deutschland jedoch nicht eingesetzt. Hier setzen wir überwiegend auf hydrothermale Geothermie, die wesentlich schonender und mit weniger Risiken verbunden ist.

Die Vorteile von Geothermie überwiegen jedoch:

• Geothermie macht unabhängig von Rohstoffen wie Erdöl und Erdgas, einschließlich deren Preisschwankungen.
• Erdwärme liefert eine konstante und zuverlässige Wärmequelle, die unabhängig von den Witterungsbedingungen funktioniert, im Gegensatz zu Windrädern, die auf Wind und Solaranlagen, die auf Sonne angewiesen sind.
• Erdwärme ist überall verfügbar. Dies gilt insbesondere für die Oberflächengeothermie. Auch die tiefe Geothermie ist nahezu überall verfügbar, es können jedoch regionale Unterschiede bestehen. Besonders geeignet sind das Alpenvorland, der Oberrheingraben und das norddeutsche Tiefland.
• Geothermie kann sehr effizient sein. Theoretisch könnte die Abwärme aus der Stromerzeugung genutzt werden, um Häuser zu heizen. Laut dem BUND wird dieses Potenzial bei Kraftwerken jedoch bisher selten genutzt.
• Erdwärme greift vergleichsweise wenig in die Umwelt ein.
• Durch den Verzicht auf Verbrennungsprozesse spart Geothermie CO2 ein und leistet so einen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel.
• Die Nutzung von Geothermie gilt nach Einschätzung vieler Experten als sicher. Das Fraunhofer-Institut bezeichnet Geothermie sogar als den sichersten geologischen Energieträger im Vergleich zu konventionellen Ressourcen wie Erdgas, Erdöl, Kohle und Kernbrennstoffen.

Ist Geothermie die richtige Wahl für dein Zuhause?

Ob der Einbau einer Geothermieanlage für dein Zuhause geeignet ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Erdwärmesonden sind genehmigungspflichtig. Wenn sich dein Haus in der Nähe eines Wasserschutzgebietes befindet, ist eine Bohrung möglicherweise nicht möglich. Lasse die Sonde von der Unteren Wasserbehörde genehmigen und melde die Bohrung beim geologischen Landesamt an. Die Regelungen variieren je nach Bundesland.

• Erdwärmekollektoren benötigen viel Platz. Um sie im Boden zu verlegen, müsste eine große Fläche deines Grundstücks ausgehoben werden.

• Plane die Anlage zusammen mit Fachleuten. Die Größe der Anlage richtet sich nach deinem individuellen Warmwasserverbrauch und Heizungsverhalten. Achte bei der Wahl des Bohrunternehmens darauf, dass es zertifiziert ist.

• Informiere dich über die Fördermöglichkeiten für den Bau der Anlage. Im Rahmen der Erneuerbare-Energien-Debatte wurden vom Bundestag einige Förderprogramme ins Leben gerufen.

• Erdwärmepumpen sind nicht für alle Heizungssysteme geeignet. Du kannst sie nur nutzen, wenn deine Heizung eine Vorlauftemperatur von unter 45 Grad Celsius hat. Die Vorlauftemperatur bezeichnet die Temperatur, mit der das Wasser in den Heizkörper fließt. Erdwärmeheizungen können maximal 45 Grad erreichen. Auch hier kann eine individuelle Beratung hilfreich sein.

• Erdwärme lässt sich gut mit Photovoltaikanlagen oder Solarthermie kombinieren. An sonnigen Tagen kann beispielsweise eine Solarzelle dein Haus beheizen, während die Geothermie mittels der Wärmepumpe an den übrigen Tagen die Wärme liefert. Dies ist nur eine von vielen Möglichkeiten, diese Technologien miteinander zu kombinieren.

Der Bundesverband für Geothermie bietet eine Übersicht über die Leitlinien der einzelnen Bundesländer und ist eine erste Anlaufstelle für hilfreiche Tipps.

Bild: Geothermie lässt sich mit Photovoltaikanlagen verbinden. (Foto: CC0 / Pixabay / andreas160578)

Geothermie ist eine interessante und umweltfreundliche Option zur Energiegewinnung. Es bietet die Möglichkeit, die versteckte Energie in der Erde zu nutzen und unabhängig von fossilen Brennstoffen zu sein. Trotz einiger Nachteile überwiegen die Vorteile der Geothermie. Wenn du mehr über erneuerbare Energien erfahren möchtest, findest du auch auf Utopia.de weitere Informationen.

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