Die Wärmewende kurz erklärt: Geothermie.
Natürliche Erdwärme ist unerschöpflich und klimaneutral
Geothermie, auch Erdwärme genannt, kommt auf natürliche Weise unter der Erdoberfläche vor. Sie gilt nicht nur als unerschöpflich, sondern ist auch klimaneutral und ihre Nutzung verbraucht wenig Fläche. Damit ist sie eine ideale Lösung für die Transformation dezentraler Wärmenetze. In Kombination mit Photovoltaik und Wärmepumpen kann sie eine komplett autarke Wärmeversorgung gewährleisten.
Wir sehen darin ein großes Potenzial und setzen bereits jetzt geothermische Wärmelösungen in ganzen Quartieren um. Wir beteiligen uns an Forschungsprojekten, die eine Vereinfachung der Planungs- und Genehmigungsprozesse sowie eine Verbesserung der geothermischen Potenzialanalyse zum Ziel haben.
Wie funktioniert Geothermie?
Bei der Geothermie wird Wärme aus dem Erdinneren an die Oberfläche transportiert und − falls notwendig − mittels Wärmepumpe auf die für die Wärmeversorgung benötigte Vorlauftemperatur angehoben.
Die Erdwärme entsteht durch den Zerfallsprozess von radioaktiven Elementen im Erdmantel. Umso tiefer gebohrt wird, desto höher sind die Temperaturen, die im Erdreich herrschen. Als Faustregel gilt: Pro 100 Meter Tiefe nimmt die Temperatur durchschnittlich um drei Grad zu. Wobei die obersten 10 bis 15 Meter von Umgebungsfaktoren wie der Sonneneinstrahlung und dem Regenwasser beeinflusst werden. Bis ungefähr 50 Meter Tiefe bleibt die Temperatur relativ konstant bei etwa zehn Grad Celsius.
Bei der Geothermie unterscheidet man zwischen der oberflächennahen Geothermie und der Tiefengeothermie. Als oberflächennahe Geothermie bezeichnet man alle Bohrungen, die bis zu einer Tiefe von 400 Metern gehen und eine maximale Temperatur von 25 Grad Celsius erreichen können. Alles, was tiefer führt, fällt in den Bereich der Tiefengeothermie.
Welche Wärmegewinnungslösungen gibt es für die oberflächennahe Geothermie?
Für die effektive Nutzung von Erdwärme werden häufig Sonden oder Grundwasserbrunnen eingesetzt. Beide Geothermie-Lösungen können für die oberflächennahe Geothermie als auch für die Tiefengeothermie eingesetzt werden.
Da bei der oberflächennahen Geothermie maximal 25 Grad Celsius erreicht werden, wird bei beiden Systemen eine Wärmepumpe angeschlossen, die die Erdwärme auf die für den Heizkreislauf notwendige Vorlauftemperatur anhebt.
Übrigens: Mit Geothermie kann man Räume nicht nur wärmen, sondern auch kühlen
Wenn die Außentemperaturen im Sommer steigen, sind die Temperaturen im oberflächennahen Erdreich kälter. Somit können Wohnräume klimafreundlich runtergekühlt werden. Die warme Umgebungsluft wird im Gegenzug in das Erdreich zurückgeleitet.
Das hat nicht nur angenehme Raumtemperaturen zur Folge, sondern dient auch zur Regeneration des Untergrunds. Denn die Wärme, die der Erde im Winter entzogen wird, wird im Sommer wieder an diese zurückgegeben.
Erdwärmesonden
Am weitesten verbreitet sind Erdwärmesonden. Sie bestehen aus einem langen Rohr, durch das Flüssigkeit geleitet wird, die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und an die Oberfläche transportiert.
Die Sonde umgibt ein spezieller Thermozement der als Leiter für die Wärme aus dem umgebenden Erdreich dient. Da Erdwärmesonden senkrecht, in einigen Fällen auch schräg, in den Boden eingebracht werden, sind sie besonders platzsparend.
Erdwärmebrunnen
Eine Lösung, die ab einer Größe von knapp 200 Quadratmetern sehr effizient sein kann, ist die Nutzung von Grundwasserbrunnen. Dafür werden zwei Brunnen mit einer Tiefe von ungefähr 20 Metern gebohrt, um einen Wärmekreislauf herzustellen. Bei größeren Anlagen können auch tieferliegende Brunnen zum Einsatz kommen.
Der Förderbrunnen transportiert das acht bis elf Grad Celsius warme Wasser an die Oberfläche und überträgt dort dessen Wärme an die Wärmepumpe. Ein Schluckbrunnen transportiert das Grundwasser im Anschluss wieder zurück in das Erdreich.
Wann eignet sich oberflächennahe Geothermie?
Oberflächennahe Geothermie ist eine effiziente Lösung für Gebiete, die nicht an das Fernwärmenetz angeschlossen werden können. Sie eignet sich daher bestens für die Wärmeversorgung einzelner Häuser oder ganzer Quartiere und kommt immer häufiger bei Berliner Neubauprojekten zum Einsatz.
In Berlin wird dafür bis zu einer maximalen Tiefe von 100 Metern gebohrt. Durch den geringen Flächenverbrauch wird im innerstädtischen Raum vor allem mit Erdsonden Wärme gefördert. Zwei wegweisende Projekte sind die Wohnquartiere Karllotta in Steglitz und STAYTION in Pankow. Beide setzen auf vollständig autarke Systeme mit Photovoltaik zum Betrieb der Wärmepumpen.
Bisher konzentrieren sich unsere Geothermie-Projekte auf Neubauten. Im bereits dicht bebauten innerstädtischen Gebiet sehen wir jedoch auch die Notwendigkeit, eine nachhaltige Wärmeversorgung von Bestandsbauten näher in den Blick zu nehmen.
Mit dem Projekt UrbanGroundHeat untersuchen wir zusammen mit dem Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik sowie weiteren führenden Unternehmen der Energiebranche die administrativen und regulatorischen Herausforderungen bei der Umsetzung von Geothermie in innerstädtischen Bestandsquartieren und erarbeiten Leitfäden und Planungstools.
Wann ist Tiefengeothermie die beste Lösung?
Mit der kommunalen Wärmeplanung stellt sich auch die Frage nach einer fossilfreien Energieversorgung ganzer Wärmenetze. In diesem Fall kann Tiefengeothermie die Lösung sein. Die Temperaturen erreichen in tieferen Gesteinsschichten über 100 Grad Celsius und haben das Potenzial ganze Ortschaften und Städte mit Wärme zu versorgen, ohne dass die Temperaturen mit einer Wärmepumpe angehoben werden müssen.
Ein Beispiel für die Nutzung von Tiefengeothermie ist das Modellprojekt Gransee in Brandenburg. Um eine nachhaltige und langfristige Energieversorgung des dortigen Wärmenetzes sicherzustellen, untersucht Energie Brandenburg (EMB), ein Unternehmen der GASAG-Gruppe, gemeinsam mit der Stadt Gransee die Anwendung der alternativen Energiequelle. In einer groß angelegten Machbarkeitsstudie werden die Nachfrage sowie geologische Gegebenheiten analysiert.
EMB geht davon aus, dass es unter Gransee viel warmes Wasser in 800 bis 2.000 Meter Tiefe gibt, welches eine Temperatur von bis zu 60 Grad Celsius erreichen kann. Sind die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie positiv, könnte bereits 2028 der (Um-)Bau des Wärmenetzes für knapp 900 Anschlüsse beginnen.
KI-basiertes Forschungsprojekt ProGres gestartet
Für die Prüfung, ob tiefengeothermische Potenziale vorliegen, sind bisher noch aufwendige Probebohrungen nötig. Auch in Gransee wäre dies der Fall. Mit dem KI-basierten Forschungsprojekt ProGres, sollen diese bald der Vergangenheit angehören.
Die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien sowie das Helmholtz-Zentrum für Geoforschung haben sich mit uns zusammengeschlossen, um gemeinsam bis 2028 computergestützte Modelle weiterzuentwickeln, die unter Einsatz von KI und bestehenden Daten Vorhersagen zu geothermischen Reservoirs treffen sollen. Bei erfolgreicher Erprobung könnten zukünftig nicht nur finanzielle Risiken, sondern auch Eingriffe in die Umwelt minimiert werden.