Nutzung von Erdwärme

Die Geothermie ist ein weitgefächertes Spezialgebiet der Geophysik und des Energiesektors, bei der es zum einen darum geht, was uns geothermische Anomalien über den Aufbau der Erde und des unmittelbaren Untergrundes sagen, und zum anderen, wie sich der Wärmeinhalt des tieferen Untergrundes im Sinne einer regenerativen Energiequelle nutzen lässt.

Dazu sollte man wissen, dass es überall auf der Erde den sogenannten geothermischen Gradienten gibt. Er beträgt in der oberen Erdkruste ungefähr 30 Grad Celsius pro 1000 Meter Tiefe. Das machte dem Kumpel im Bergbau immer arg zu schaffen, da in einem Stollen in 2000 Meter Tiefe bereits 60 Grad Hitze herrschen. Nur mit ausgeklügelten, effektiven Belüftungssystemen war dort ein Arbeiten überhaupt noch möglich.

Warum ist die Erde im Inneren heiß?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir in der Zeit sehr weit zurückgehen und über die Entstehung der Planeten nachdenken. An einen größeren Brocken im Weltall heftete sich in einer turbulenten Materiewolke ein Zweiter und ein Dritter, bis die Masse so groß wurde, dass sie per Gravitation immer mehr Gesteinsbrocken anzog. Diese flogen zum Teil mit sehr großen Geschwindigkeiten auf die Masse zu, sodass deren kinetische Energie beim Aufschlagen fast vollständig in Zerstörung und Hitze umgewandelt wurde.

Erdwärme aus dem inneren der Erde

Auf diese Weise kam extrem viel Wärmeenergie zustande, die noch heute im Erdinnern „gefangen“ ist, der Erdkern ist ungefähr 6.200 Grad heiß. Diese innere Wärme diffundiert in einem ständigen Prozess, der auch von Materialkonvektionen begleitet wird, in die äußeren Schichten.

Wo die Erdkruste Störungen aufweist, ist der Wärmeaustritt besonders intensiv. Typische Beispiele wären hier das italienische Larderello oder Island, wo Geothermie-Kraftwerke schon lange an der Tagesordnung sind. Aber auch in Deutschland gibt es Regionen mit erhöhten geothermischen Gradienten wie bei Landau/Insheim, dort lohnt sich der Betrieb geothermischer Kraftwerke besonders.

Geothermie ist Umweltschutz

Wer die allgegenwärtige, innere Hitze der Erde zum Heizen nutzt, macht alles richtig, denn er braucht nichts verbrennen und erzeugt daher keine schädlichen Abgase. Angst davor, dass dadurch die Erde auskühlt, brauchen wir nicht zu haben, denn der Vorrat an Wärmeenergie der Erde ist für menschliche Verhältnisse schier unerschöpflich. Dennoch gibt es diese Energie nicht so ganz umsonst, denn man braucht dafür eine mehr oder weniger komplexe Anlagentechnik.

Wie holen wir die Wärme aus dem Boden?

Firmenkonsortien, die Geothermie in großem Stil betreiben, teufen zum Beispiel Bohrungen ab, die mehrere Tausend Meter in die Erdkruste hinabreichen, da die Effizienz der Anlage in erster Linie von der Temperaturdifferenz zwischen den überhitzten Druckwässern und der Außentemperatur an der Oberfläche bestimmt ist.

Bohrung für Erdwärme
Bohrung für Erdwärme

Für den normalen Häuslebauer, der in seinem Haus eine geothermische Heizanlage installieren möchte, stellt sich die Sache sehr viel einfacher dar. Schon in gut 1,5 Meter Tiefe herrscht im Boden die mittlere Jahrestemperatur, sie beträgt in Frankfurt/M. circa zehn Grad Celsius, in Schleswig-Holstein ungefähr acht Grad Celsius. Gegenüber der winterlichen Lufttemperatur bedeutet dies eine Temperaturdifferenz von oftmals mehr als zehn Grad, das reicht schon völlig aus, um eine Erdwärmeheizung effizient zu betreiben.

Mit Erdwärme heizen

Dies bedeutet ein sehr hohes Maß an Umweltfreundlichkeit. Dennoch gibt uns der Boden seine Wärmeenergie nicht so ganz freiwillig ab, wir müssen ihn schon ein bisschen dazu „zwingen“ und dazu müssen wir erst einmal etwas Energie einsetzen.

Vom Prinzip her funktioniert die Erdwärmeheizung wie ein Kühlschrank, es geht also um eine Wärmepumpe. Beim Kühlschrank ist es so, dass Wärme aus dem zu kühlenden Innenraum heraus abgezogen wird, um sie nach außen zu transportieren. Bestimmt haben Sie schon mal bemerkt, dass so ein Kühlschrank hinten recht warm werden kann, das ist völlig normal.

Funktionsweise deon Erdwärme

Die Erdwärmeheizung vollzieht nun die umgekehrte Aufgabe, sie soll die Wärme von außen, in diesem Fall aus dem umgebenden Boden oder Grundwasserbereich, ins Innere des Hauses bringen. Es gibt auch technische Umsetzungen, die die Restwärme der Winterluft ins Haus führt. Realisiert wird das Ganze, eben wie beim Kühlschrank, mit einem Kältemittel, das verdampft und dann wieder verflüssigt werden muss. Bei diesem Prozess wird dem Erdreich oder der Luft Wärme entzogen.

Nun gibt es den unumstößlichen „Zweiten Hauptsatz der Wärmelehre“, der besagt, dass Wärmefluss nur eine Richtung kennt, nämlich vom heißen zum kalten Körper hin. Das ist ja genau unser Problem, der warme Innenraum unserer Häuser kühlt aus, weil die Wärme unablässig in den kalten Außenraum abwandert.

Um gegen den zweiten Hauptsatz „verstoßen“ zu können, müssen wir erst einmal Energie ins System einspeisen. Aus diesem Grund braucht jeder Kühlschrank und jede Kühltruhe einen Stromanschluss, so auch die Erdwärmeheizung, da es sich hier ebenfalls um eine Wärmepumpe handelt.

Allgemein lässt sich feststellen, dass in etwa 80 Prozent der Energie für den Betrieb einer Erdwärmeheizung dem Boden entnommen wird, aber circa 20 Prozent müssen wir in Form von elektrischer Energie zubuttern. Das ist nicht wenig und kostet Geld.

Technische Umsetzung

Die Erdwärme, die hier ausgenutzt wird, ist in erster Linie gespeicherte Sonnenenergie und weniger der oben erläuterte Wärmefluss aus dem Erdinneren. Jeder weiß, dass der eigentlich kühle Erdboden im Winter deutlich wärmer sein kann als die Außenluft. Der erste Schnee schmilzt deshalb in aller Regel erst einmal weg.

Zwar kühlt der Boden während der Wintermonate immer weiter aus, aber die Temperaturwelle dringt nicht wirklich tief ein. Daher werden zum Beispiel Wasserleitungen in Deutschland in 80 Zentimeter Tiefe verlegt, weil man weiß, dass der Frost hierzulande so tief gar nicht eindringen kann.

Im Außenbereich, meistens im Garten, werden zunächst Plastikrohre verlegt. Das Vorgehen erinnert bisschen an den Bau einer Fußbodenheizung. Diese Rohre werden als Kollektoren bezeichnet. Später werden die Röhren von einer Flüssigkeit durchströmt, die kälter ist als das Erdreich um sie herum.

Es handelt sich also um einen Wärmetauscher, der in der Lage ist, die Energie des Bodens aufzunehmen. Für dieses System brauchen Sie eine bis zu 1,5-fache Fläche bezogen auf die zu beheizende Wohnfläche des Hauses. Über eine Wärmepumpe wird die Energie des Bodens dann in die Heizung sowie in die Warmwasserbereitung eingespeist.

Falls Sie keine Rohre im Boden verlegen möchten oder können, gibt es die Möglichkeit, bis zu drei Bohrungen mit Teufen von 30 Meter abzuteufen, um darin sogenannte Sonden zu installieren. In jeder Bohrung befinden sich dann vier vertikale Rohre, durch die der Wärmetauscher zirkuliert und dem Untergrund Wärme entnimmt.

Diese Variante ist gewiss platzsparend, aber Bohren ist nun mal teuer. Wie die Wärmegewinnung auch realisiert wird, es bietet sich an, das so auf circa 35 Grad Celsius erwärmte Wasser mit einer Fußbodenheizung zu verbinden.

Wärmepumpe
Wärmepumpe

Kosten

Die Wärmepumpe mit den Kollektoren kostet heute mindestens 15.000 Euro. Doch die Bundesregierung hat sich bekanntlich hehre Klimaziele gesetzt und fördert in der Konsequenz regenerative Energien, wozu die Erdwärme gezählt wird.

Dies äußert sich zum Beispiel darin, dass die Energieversorger für Wärmepumpen einen speziellen, geförderten Tarif anbieten, was allerdings voraussetzt, dass der günstigere Wärmepumpenstrom über einen eigenen Zähler läuft, was sich aber lohnt, da der Stromverbrauch der Pumpe nicht unerheblich ist.

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