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- Tiefe Erdwärmesonde (Quelle: Stoltenberg Energie GmbH)
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Unabhängig von Jahreszeiten, Witterungseinflüssen sowie Tag- und Nachtzeiten steht der stets unter der Erdoberfläche fließende Wärmestrom zur Verfügung. Doch wenngleich enorme Potenziale vorhanden sind, fristet die Tiefengeothermie in Deutschland bisher ein ungeachtetes Dasein. Lediglich 0,003% beträgt ihr Anteil an der Energieversorgung.
In Mittel- und Nordeuropa werden primär so genannte Erdwärmesonden eingesetzt, da ihr Flächenbedarf gering ist und ein konstantes Temperaturniveau genutzt werden kann. Man bohrt ein tiefes Loch, schickt kaltes Wasser nach unten, das sich in der Tiefe erhitzt, holt es über dieselbe Bohrung wieder an die Oberfläche, entnimmt die Wärme, schickt diese in das Gebäude, das Wasser zurück in die Tiefe.
Tiefe Erdwärmesonden in Deutschland
In Prenzlau wurde eine vorhandene Bohrung auf knapp 2.800 m vertieft. Dort herrschen Temperaturen von 108 °C. Zur Tiefen Erdwärmesonde ausgebaut, werden seit 1994 rund 300 kW Wärmeenergie gewonnen, die in das städtische Fernwärmenetz eingespeist werden.
Die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) in Aachen befasst sich seit langem mit erneuerbaren Energien und steht nun vor ihrem bisher größten „Selbstversuch“, jedenfalls was die Geothermie betrifft. Zur Energieversorgung des direkt im Stadtzentrum geplanten Studentischen Servicecenters "Super C" sollen die natürlichen Erdwärmevorkommen im Untergrund genutzt werden. Rund 80 % des Wärme- und Kältebedarfs des Gebäudes sollen aus einer 2.500 m tiefen Bohrung gedeckt werden.
In Arnsberg im Sauerland geht es um das neue Freizeitbad "Nass". Hier soll eine rund 3 km tiefe Sonde etwa 75% des Wärmebedarfs des Bades und einer benachbarten Sporthalle liefern. Das bedeutet, dass jährlich rund 2,1 Millionen kWh nicht konventionell über Gas erzeugt werden müssen.
Vorteile der Tiefsondentechnologie
Die Vorteile der Gewinnung von Erdwärme mit Hilfe von Tiefsonden lassen sich wie folgt benennen:
- kein Bohrrisiko, kein Suchrisiko (z.B. Suche nach Thermalwasser)
- kein Stoffaustausch, kein Eingriff in Stoffgleichgewichte, da die Tiefensonde ein geschlossenes Gefäß bildet, deshalb ökologisch unbedenklich
- hohe Lebensdauer, da praktisch keine Abnutzungen in der Sonde
- keine Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen (oberirdische Umwälzpumpe ausgenommen)
- einfache, gefahrlose Betriebsführung
- hohe Zuverlässigkeit
- ganzjährig als Wärmequelle verfügbar
- nicht an besondere geologische Strukturen gebunden
Der ökologische Wert dieser Art von Anlagen ist schon heute unbestritten. Am Standort Prenzlau sanken z.B. die Emissionen nach der Heizwerksinbetriebnahme um 20 %.
Investitionskosten einer Tiefen Erdwärmesonde
Die Kosten einer Erdwärmesonde werden weitestgehend durch den erforderlichen Aufwand zur Erstellung der Tiefbohrung bestimmt. Dabei spielt die Intensität bisheriger Erkundungen zum Beispiel für die Erdöl-/Erdgasindustrie ebenso eine Rolle wie die petrophysikalischen Gesteinsparameter, die tektonische Beanspruchung und die Bohrteufe. Ein weiterer Kostenfaktor sind bei Erdwärmesondensystemen die Aufwendungen für den Emissionsschutz in urbanen Räumen, weil solche Systeme typischerweise abnehmernah zu installieren sind.
Diese Kosten sind stark vom Umfeld der Bohrung und von der verwendeten Bohranlage abhängig und kaum zu pauschalieren. Im Falle einer geplanten 3.500 m tiefen Erdwärmesonde variieren die Gesamtinvestitionskosten mit +/- 20 % um einen Mittelwert von 4.6 Mio. EUR.
Pilotprojekte mit Bohrungen bis zu einer Teufe von 2.500 m sind je nach Standort, Auftraggeber und Bieterkreis für 2,4 - 3,0 Mio. EUR realisierbar. Eine Studie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) geht für die Bohrungskosten von einem Einsparpotential von 30 – 40 % aus. Voraussetzung dafür sind die Steigerung der Anzahl realisierter Projekte, sowie eine Systematisierung der Planungsprozesse und der Projektrealisierung.
Wärmeleistung einer Tiefen Erdwärmesonde
Die thermische Leistung einer Erdwärmesonde wird von geologischen Randbedingungen wie dem regionalen Wärmefluss sowie dem konvektiven und konduktiven Wärmetransport beeinflusst. Im Gegensatz zu diesen, für einen Nutzungsstandort unveränderlichen Faktoren, kann durch die technische Ausführung der Erdwärmesonde und das Nutzungskonzept Einfluss auf die maximale Leistung und die jährlich gewinnbare Wärmemenge genommen werden.
Die Entzugsleistung wächst quasi linear mit der Vergrößerung des Bohrungsquerschnittes, jedoch sind auch die allseitige Ankopplung der Sonde an das Gebirge und das nichtlaminare Fließen des Wärmeträgermediums in der Erdwärmesonde leistungsbestimmend. Die Bedeutung des haustechnischen Nutzungskonzepts wurde bisher weitgehend unterschätzt. Die Leistung einer Erdwärmesonde wächst mit sinkender Vorlauftemperatur und steigendem Volumenstrom.
Durch die Kombinationen aus Erdwärmesonde mit niedertemperierten Betonkernaktivierungen und Flächenheizsystemen lässt sich die Leistung ebenso steigern wie durch den Einsatz von Großwärmepumpen (z.B. Prenzlau). Je nach dem gewählten haustechnischen Konzept kann die Leistung auch durch eine diskontinuierliche Nutzung mit kurzen Regenerierungsphasen oder durch den Einsatz von Wärmespeichern gesteigert werden.
Die durchschnittliche Entzugsleistung im Teufenbereich der (positiv) wirksamen Wärmetauscherfläche variiert in Abhängigkeit der Endteufe und den obigen Faktoren zwischen 150 und 250 W/m Bohrteufe.
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