Geothermie ist unterirdisch gespeicherte Wärme

Geothermie beschreibt Wärme aus unterirdischen Quellen. Diese können sowohl in wenigen Metern als auch in mehreren Kilometern unter der Erdoberfläche angezapft und zum Heizen oder Stromerzeugen genutzt werden. Welche Arten der Geothermie man unterscheidet, wie diese genutzt werden können und wie Erdwärme auch das eigene Haus mit kostenfreier Wärme versorgt, zeigen wir in den folgenden Abschnitten.

Wasser in einem Geysir in Finnland wird durch Geothermie erhitzt

Geothermie ist Wärme aus der Erde

Geothermie oder Erdwärme beschreibt thermische Energie, die im Erdreich gespeichert ist. Sie kommt unter anderem vom Erdkern, der Experten zufolge eine Temperatur von 6.000 Grad Celsius hat, und ist das ganze Jahr über annähernd konstant vorhanden. Vor allem in oberflächennahen Schichten stammt die Wärme im Erdreich aber auch von der Sonne, die den Boden durch Strahlung kontinuierlich aufheizt.

Geothermie kann auf unterschiedliche Arten gewonnen und in Form von Strom oder Wärme genutzt werden – mit der Wärmepumpe sogar im eigenen Haus. Je nachdem, aus welchen Tiefen man die Wärme der Erde zieht, handelt es sich um tiefe und oberflächennahe Geothermie.

Tiefe Geothermie für Wärme oder Strom

Sprechen Experten von der tiefen Geothermie, geht es um die Gewinnung von Erdwärme aus Schichten von mehr als 400 Metern. In Abhängigkeit der Eigenschaften tiefer Wärmequellen unterscheidet man dabei Hoch- und Niederenthalpie-Lagerstätten.

Effiziente Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten

Hochenthalpie-Lagerstätten sind Geothermie-Quellen, in denen Wärme mit außergewöhnlich hohen Temperaturen gespeichert ist. Sie können bereits in flachen Erdschichten auftreten und sind genau genommen geologische Anomalien.
Finden kann man sie häufig in Regionen mit aktiven oder inaktiven Vulkanen, wo sie unter hohem Druck nicht nur Wasser, sondern auch Dampf enthalten. Hochenthalpie-Lagerstätten können mit flachen Bohrungen vergleichsweise günstig erschlossen und zur Wärme- oder Stromerzeugung genutzt werden.

Tiefe Bohrungen für Niederenthalpie-Lagerstätten

Niederenthalpie-Lagerstätten beschreiben dagegen „konventionelle“ Wärmequellen. Sie werden vom Erdinneren mit Energie versorgt und können meist nur mit kilometerlangen Bohrungen erschlossen werden. Damit Kosten und Nutzen in einem günstigen Verhältnis stehen, muss die Erdwärme dabei mit einem möglichst hohen Temperaturniveau – in Deutschland von ungefähr 100 Grad Celsius – vorhanden sein.

Niederenthalpie-Lagerstätten werden neben der Stromerzeugung sehr häufig für die Gewinnung von Heizwärme verwendet. Denn auch bei niederen Temperaturen und geringeren Bohrtiefen kann die Energie dabei wirtschaftlich genutzt werden.

Unterschiedliche Arten der Geothermie-Gewinnung

Abhängig von den regionalen Bedingungen, kann die tiefe Erdwärme mit drei Verfahren bezogen werden. Dabei unterscheidet man Hydrothermale Systeme, Petrothermale Systeme und Sondenbohrungen.

Hydrothermale Systeme bestehen aus zwei Brunnen

Mit hydrothermalen Systemen lassen sich Wasserspeicher im Erdreiche anzapfen. Über zwei Bohrungen wird die warme Flüssigkeit dabei nach oben gefördert, abgekühlt und dem Erdreich wieder zugeführt.

Petrothermale Systeme nutzen Gesteine als Wärmeübertrager

Petrothermale Systeme sind hingegen heiße, aber trockene Gesteinsschichten. Sie werden auch HDR- oder Hot-Dry-Rock-Systeme genannt und sind aufwendiger zu erschließen. In einem ersten Schritt werden die tiefen Gesteinsschichten dabei durch Wasser unter hohem Druck aufgebrochen. Auf diese Weise bildet sich ein System aus feinen Kanälen, durch das im zweiten Schritt Wasser von der Oberfläche geschickt wird – auch hier sind zwei Bohrungen notwendig. Das heiße Gestein wirkt dabei wie ein großer Wärmeübertrager und gibt seine Energie an das zirkulierende Medium ab.

Sondenbohrungen für Geothermie zur Direktheizung

Die dritte Möglichkeit, mit der die tiefe Geothermie genutzt werden kann, bilden Erdsonden – sogenannte Doppel-U-Rohr-Sonden. Diese bestehen aus jeweils zwei langen Rohrschlangen, die nebeneinander in die Bohrung eingebracht werden. Das im Inneren zirkulierende Medium entzieht dem Erdreich dabei thermische Energie und wird selbst wärmer. Zurück an der Oberfläche kann das Wasser theoretisch direkt in ein Nahwärmenetz eingespeist werden.

Oberflächennahe Geothermie für die eigene Heizung

Die oberflächennahe Geothermie beschränkt sich auf Bohrtiefen von bis zu 400 Metern. Neben dem Erdkern, kommt ein großer Teil der gespeicherten Wärme dabei auch von der Sonne, die ihre energiereiche Strahlung das ganze Jahr über auf den Boden schickt. Die thermische Energie ist hier mit einem Temperaturniveau von etwa 10 Grad Celsius vorhanden und kann mit einer Wärmepumpe für die Heizung oder die Warmwasserbereitung genutzt werden. Da ab einer Tiefe von mehr als 100 Metern jedoch besondere bergbaurechtliche Genehmigungen nötig sind, reichen die Sonden einer umweltfreundlichen Erdwärmeheizung selten tiefer in den Boden.

Unterschiedliche Arten des Wärmeentzugs

Wie die tiefe Geothermie kann auch die oberflächennahe auf unterschiedliche Arten genutzt werden. Möglich sind dabei zum Beispiel Erdsonden, Erdkollektoren oder Künetten.

Sonden in bis zu 100 Meter Tiefe

Eine der bekanntesten Möglichkeiten, die oberflächennahe Geothermie zu nutzen, sind Erdsonden oder Sondenbohrungen. Dabei wird Sole – mit Frostschutzmittel versetztes Wasser – über eine Rohrleitung durch ein tiefes Loch im Erdreich geführt. Sie nimmt die thermische Energie aus den indirekt durchflossenen Schichten auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Hier sorgt ein spezieller physikalischer Prozess dafür, dass die Erdwärme auch für Heizung und Warmwasserbereitung genutzt werden kann.
Abhängig vom Feuchtegehalt des Bodens, können so rund 50 Watt je Bohrmeter gewonnen werden. Für ein modernes Einfamilienhaus sind dabei rund 150 Meter Sonde, aufgeteilt auf verschiedene Bohrungen nötig.

Erdkollektoren wie bei einer Fußbodenheizung

Erdkollektoren bestehen aus einem flächig verlegten Netz aus Rohrleitungen. Dieses wird flach unter der Erdoberfläche installiert und funktioniert im Prinzip wie eine Fußbodenheizung. Der Unterschied: Während ein zirkulierendes Medium in der Fußbodenheizung Wärme an den Raum abgibt, nimmt das Medium – die Sole – bei einem Erdkollektor Wärme auf. Bei feuchten Böden etwa 25 Watt je Quadratmeter.

Soll die Wärmepumpe eines modernen Einfamilienhauses über einen Erdkollektor mit Umweltwärme versorgt werden, müssen Hausbesitzer eine Fläche von rund 150 Quadratmetern einplanen. Wichtig zu wissen ist, dass diese außer bei besonders konstruierten Erdspeichern nicht überbaut werden sollte.

Künetten nutzen Geothermie platzsparend

Ist dagegen nur wenig Platz auf dem eigenen Grundstück vorhanden, können die Erdkollektoren auch als Künetten verlegt werden. Die Rohre liegen dazu in halb überlappenden Ringen in einem ein bis zwei Meter breiten Graben. Bei feuchten Böden können so bereits 100 Watt je Grabenmeter entzogen werden.

Für ein modernes Einfamilienhaus reicht dabei eine Länge von rund 80 Metern, die auch auf mehrere Gräben aufgeteilt werden kann. Auch hier gilt: Da die Geothermie zu einem großen Teil aus der Sonne kommt, sollten die Künetten nicht überbaut werden.

Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Geothermie beschreibt all die thermische Energie, die aus flachen und tiefen Erdschichten gewonnen werden kann. Sie ist eine aus menschlicher Perspektive unerschöpfliche Energiequelle und liefert Strom und Wärme ohne bedeutende Schwankungen. Mit einer Wärmepumpe lohnt sich ihre Nutzung sogar im eigenen Zuhause.

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