Geothermik

Die Geothermie oder Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Der größte Teil dieses Wärmestroms stammt vom ständigen Zerfall radioaktiver Elemente im Erdmantel und in der Erdkruste, ein Vorgang, der noch Milliarden Jahre anhalten wird. Um die Wärme aus dem Untergrund zu gewinnen, wird eine Flüssigkeit für den Wärmetransport benötigt. Das grundlegende Prinzip ist einfach: Entweder ist dieses Transportmittel in Form von Dampf oder heißem Wasser bereits im Untergrund vorhanden - dann wird es an die Oberfläche befördert - oder die Flüssigkeit muss erst in die Tiefe gepumpt und erhitzt wieder nach oben gebracht werden.

Wärmepumpen in Augsburg

Eine Wärmepumpenheizung entzieht der Umwelt (umgebende Luft, Grundwasser oder Erdreich) Wärmeenergie und hebt diese mittels einer Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau an, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können. Die Wärmepumpe ist technisch wie ein Kühlschrank aufgebaut, mit dem Unterschied, dass bei ihr die „warme Seite“ zum Heizen genutzt wird. Der Einsatz ist umso effizienter, je geringer die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmereservoir (zum Beispiel Grundwasser von 7° C) und der Vorlauftemperatur des Heizkreises ist.

Die Nutzung der Umgebungswärme mit Hilfe von Wärmepumpen unterscheidet sich in einem Punkt wesentlich von anderen erneuerbaren Energien. Die Wärmepumpe braucht zum Antrieb einen erheblichen Anteil an Fremdenergie. Für die energetische Bewertung ist es wichtig, das Verhältnis von eingesetzter Energie zur Nutzenergie zu ermitteln. Wird konventionell erzeugter Strom als Fremdenergie eingesetzt, ist es wegen der Verluste der Stromerzeugung erforderlich, mit der eingesetzten Antriebsenergie mindestens den dreifachen Wärmeertrag zu liefern. Andernfalls ist der Einsatz fossiler oder nuklearer Primärenergie größer als die erzeugte Wärmemenge. Dieses als Arbeitszahl bezeichnete Verhältnis bestimmt also, ob in der Gesamtbilanz erneuerbare Energie genutzt wird und die Pumpe sich energetisch rechnet. Die in der Praxis erzielbaren jährlichen Arbeitszahlen bei Bereitstellung von Heizenergie und Warmwasser erreichen oftmals nicht die versprochenen Werte. Bei nicht optimal installierten Systemen kann die Arbeitszahl auch deutlich unter 3 liegen.

Einsatz von Grundwasserwärmepumpen

Im Stadtgebiet Augsburg sind Grundwasserwärmepumpen eine kostengünstige Wahl, da die Grundwasserstände fast überall sehr hoch sind. Vor dem Antrag auf Betrieb einer Grundwasserwärmepumpe ist zu prüfen, ob der Standort im Trinkwasserschutzgebiet liegt. Die Stadtwerke Augsburg fördern im Bereich der Stadt Augsburg aus zahlreichen Brunnen unbehandeltes Trinkwasser für ca. 300.000 Menschen. In und um Augsburg sind mehrere Trinkwasserschutzgebiete eingerichtet um die Brunnen vor Verunreinigungen zu schützen. Diese Gebiete sind in mehrere Schutzzonen unterteilt. In allen Schutzzonen werden Wärmepumpen nicht genehmigt! Eine Karte mit den Schutzzonen findet sich auf der Internetseite der Stadtwerke Augsburg.

Ein Antrag auf Errichtung einer Grundwasserwärmepumpe funktioniert wie folgt:

Hinweise zu den Antragsunterlagen für die Begutachtung von thermischen Grundwassernutzungen (Leistung < 50 kJ/s)

In Augsburg wurden, bis Ende September 2010, 358 Anlagen zur Wärme- und Kälteerzeugung genehmigt. Aufgeschlüsselt waren das 323 Wasser-Wärmepumpen, 26 Anlagen zur Kälteerzeugung und 9 Anlagen zu Kühl- und Heizzwecken.

Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR)

Heiße, trockene Gesteinsschichten in bis zu fünf Kilometern Tiefe lassen sich zur geothermischen Strom- und Wärmeerzeugung nutzen. Um die Wärme der kristallinen Gesteine (Marmor, Granit) an die Erdoberfläche zu bringen, müssen sie von einem Wärmeträger durchspült werden. Um die Durchlässigkeit der Gesteinsschichten zu erhöhen, wird eine Tiefbohrung angelegt, durch die sehr viel Wasser unter sehr hohem Druck durch das Gestein gepresst wird. Dabei werden natürlich vorhandene Risse und Spalten aufgeweitet und neue Risse erzeugt. Das Resultat: Die Durchlässigkeit des Gesteins steigt und man erzeugt einen „natürlichen Wärmetauscher“. Zum Betrieb einer HDR-Anlage wird dann kaltes Wasser in die Injektionsbohrung gepumpt und das erhitzte Wasser über eine zweite Bohrung wieder an die Oberfläche geführt. Kristalline Gesteinsschichten gibt es in Deutschland nahezu überall, trotzdem wird die HDR-Technik bisher selten in die Praxis eingesetzt. Das liegt vor allem an den hohen Kosten. Allein eine Bohrung bis in 5.000 Meter Tiefe kostet mehrere Millionen Euro. Wegen der hohen Bohrkosten werden Standorte bevorzugt, an denen in vergleichsweise geringer Tiefe kristallines Gestein und hohe Temperaturen zu finden sind. Dies ist insbesondere im Oberrheingraben der Fall.

Hydrothermale Systeme

Zur Strom- und Wärmeerzeugung kann auch heißes Wasser aus unterirdischen „Aquiferen“ genutzt werden, jedoch nur, wenn die geologischen Bedingungen stimmen. Für die Stromproduktion muss die Wassertemperatur 100° C überschreiten und es müssen ausreichende Thermalwassermengen zur Verfügung stehen. In Ländern wie Island und Italien finden sich solche Wasservorkommen schon in moderater Tiefe, in Deutschland sind geothermische Kraftwerke zur Stromproduktion nur an einigen Standorten des Oberrheingrabens und des bayerischen Voralpenraums möglich. In anderen Regionen (z. B. süddeutsches Molassebecken, Teile der norddeutschen Tiefebene) liegt das erschließbare Temperaturniveau der Tiefengewässer zwischen 40° C und 100° C. Das reicht nur zur Gebäudeheizung, für Thermalbäder und zu einigen gewerblichen Zwecken.

Tiefe Erdwärmesonden

Vorhandene Tiefbohrungen, die zur Prospektion von Erdgas, Erdwärme oder möglichen Endlagerstätten angelegt wurden, können ebenfalls zur geothermischen Energiebereitstellung verwendet werden. In die Tiefbohrungen werden Doppelrohrsonden bis zu 4 km tief in das Bohrloch eingeführt. Durch diese Sonden zirkuliert Wasser in einem geschlossenen Kreislauf. In der Tiefe wird es erwärmt; an der Erdoberfläche wird die Wärme an einen Wärmepumpenkreislauf abgegeben.

Oberflächennahe Geothermie

Bei der sogenannten oberflächennahen Geothermie wird die Wärme der obersten Erdschichten oder des Grundwassers genutzt. Bis in Tiefen von 20 Meter haben dabei noch Umwelteinflüsse wie Sonnenstrahlen und Regenwasser einen Einfluss auf die Temperatur der Bodenschichten. Diese Wärme kann von Wärmepumpen genutzt werden.

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