Die Erdwärme und wie sie zum Heizen genutzt wird

Die Erdwärme als Energiequelle

Im Inneren unseres Planeten herrschen sehr hohe Temperaturen. Im Erdkern sind es sogar mehrere tausend Grad Celsius, die in Richtung Erdkruste abnehmen. An der Erdoberfläche werden die Erdtemperaturen auch vom Klima beeinflusst. Die Temperatur des Erdkerns wird auf 6.000 Kelvin (K) geschätzt. Die Erde speichert und produziert also Wärmeenergie. Als Erdwärme wird die Wärme unterhalb der Erdoberfläche bezeichnet. Diese zählt zu den erneuerbaren Energien, denn die Ressource regeneriert sich ständig und gilt als unerschöpflich.

Entstehung der Erdwärme

Der flüssige heiße Kern der Erde stammt noch aus der Entstehung unseres einst glutflüssigen Planeten. Dieser  kühlte und erstarrte erst im Verlauf von ein paar Millionen Jahren ab. Ein weitaus größerer Teil der Wärmeleistung der Erde entsteht jedoch aus dem natürlichen Zerfall von radioaktiven Elementen im Erdmantel. Durch diese radioaktiven Zerfallsprozesse entstehen Erdwärmeströme in enormen Mengen. Aus den heißen Tiefen der Erde steigen permanent Ströme von Wärmeenergie durch Wärmeleitung sowie durch zirkulierende Gase und Flüssigkeiten in Richtung der Erdoberfläche auf.

Statistisch betrachtet strahlt der Planet jeden Tag im Durchschnitt das 2,5-Fache des globalen Energiebedarfs der Menschen ungenutzt in den Weltraum ab. Eine dritte Komponente der erneuerbaren Erdwärme ist die  Solarenergie. Sie wärmt den Planeten von außen und wird in den äußeren oberflächennahen Schichten der Erde gespeichert. Durch die Sonnenwärme von außen und die aufsteigende Hitze aus dem Inneren wird die Erdwärme ständig erneuert.

Temperaturen unter der Erdoberfläche

Die Erdwärme weist je nach Erdschicht unterschiedliche Temperaturen auf. Im europäischen Gebiet schwanken die Temperaturen der Erde in Abhängigkeit der Jahreszeit bis zu einer Tiefe von 15 Metern. Bei etwa 20 Meter Tiefe herrscht ein Gleichgewicht zwischen der Außentemperatur und der Innentemperatur der Erde.  Die Temperaturen bleiben also unabhängig von der Jahreszeit konstant. Mit zunehmender Tiefe in Richtung Erdkern steigt die Temperatur an.

Alle 100 Meter in die Tiefe und in Abhängigkeit von der geologischen Beschaffenheit des Gebiets steigen die Temperaturen um durchschnittlich drei Grad Celsius. Je tiefer der Bereich ist, aus dem die Erdwärme genutzt wird, desto höhere Temperaturen werden erreicht. Folglich lässt sich mehr Energie gewinnen. Unter Deutschland beispielsweise liegt die Temperatur in 20 Meter Tiefe bei rund 10 Grad Celsius. In zwei Kilometern Tiefe sind es zwischen 60 und 80 Grad Celsius. In drei Kilometer Tiefe erreicht die Erde bereits Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius.

Geothermie wird als Synonym für Erdwärme verwendet

Für die Verwendung der Erdwärme als Energiequelle wird die gespeicherte und vorhandene Wärme im zugänglichen Bereich der Erdkruste durch Bohrungen und mit verschiedenen Systemen entzogen und nutzbar gemacht. Der Begriff Geothermie bezeichnet die ingenieurtechnische Gewinnung sowie Nutzung der Erdwärme. Er gilt außerdem auch für die geowissenschaftliche Erforschung der thermischen Erdsituation, wird jedoch auch oft als Synonym für Erdwärme verwendet.

Wofür kann die Erdwärme genutzt werden?

Die Erdwärme kann als Heizwärme zur Warmwassererwärmung, zur Stromerzeugung und durch die technischen Systeme auch zum Kühlen genutzt werden. In der Gewinnung nutzbarer Erdwärme wird in Deutschland vor allem zwischen der "oberflächennahen Geothermie" bis zu Tiefen von 400 Metern und der "Tiefengeothermie" ab 400 bis mehreren tausend Metern Tiefe unterschieden.

Die oberflächennahe Geothermie

Bei der oberflächennahen Geothermie kann die Erdwärme mit verschiedenen technischen Systemen erschlossen und mit einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden. Dabei gibt es offene Systeme wie Brunnensysteme und geschlossene Systeme wie horizontal im Boden integrierte  Flächenkollektoren,  Erdwärmekörbe  oder senkrecht im Boden integrierte Erdwärmesonden.

Tipp: Interessieren Sie sich für das Heizen mit Geothermie, erhalten Sie in unserem Beitrag über die  Kosten für Erdwärme  einen Überblick der notwendigen Investitionen.  

Die Tiefengeothermie

Die Tiefengeothermie setzt hingegen auf spezielle Energiereservoirs, wie:  

• heiße Thermalquellen  
  
• Bergbauanlagen oder Tunnelsystemen (hydrothermale Energiegewinnung)
  
• Wärme aus heißen trockenen Gesteinen (petrothermale Energiegewinnung)  
  

Nutzen lässt sich die kostenfreie Energie dabei zur Wärme- und Stromerzeugung.  

Direkte und indirekte Nutzung der Erdwärme

In der Nutzung der Geothermie wird auch zwischen der direkten Nutzung und der indirekten Nutzung der Erdwärme unterschieden. Bei der direkten Nutzung wird die erschlossene Erdwärme selbst zur Wärmeversorgung verwendet. Ein Beispiel dafür bildet die Nutzung der Wärmeenergie aus dem Grundwasser mittels Wärmepumpe (Grundwasserwärmepumpe).

Bei der indirekten Nutzung wird die Erdwärme erst nach der Umwandlung in Strom durch ein Kraftwerk genutzt.  Dafür sind Temperaturen von mindestens 90 °Celsius erforderlich. Ein Beispiel für die Stromgewinnung aus Erdwärme ist Island. Ein großer Teil der verwendeten elektrischen Energie wird in Island aus der Erdwärme gewonnen. Sie ist dort aufgrund der geologischen Beschaffenheit auch schon in geringeren Tiefen mit hohen Temperaturen verfügbar. Deutsche Regionen, in denen die Tiefengeothermie genutzt wird, sind z. B. die Molassebecken in Süddeutschland, der Oberrheingraben oder das norddeutsche Becken.

Heizungen zur Nutzung der Erdwärme

In Deutschland kommt für das  Heizen mit Erdwärme  vor allem die oberflächennahe Geothermie zum Einsatz. Sie arbeitet mit niedrigen Vorlauftemperaturen und einer Wärmepumpe. So sind für die Heizsysteme der Erdwärme vor allem Flächenheizungen, wie die Fußbodenheizung, die  Wandheizung  oder die  Deckenheizung  besonders geeignet und effizient. Deren Heizwasser kommt mit niedrigen Vorlauftemperaturen aus und verteilt die Strahlungswärme zudem großflächig und gleichmäßig im Raum.

Erdwärme mit einer Wärmepumpe nutzen

Eine  Wärmepumpe  nutzt grundsätzlich Energie aus der Umwelt. Diese kann aus der Luft, dem Grundwasser oder eben aus dem Erdreich stammen. Dabei sorgt die sogenannte Sole-Wasser-Wärmepumpe auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen für wohlige Wärme im Inneren des Hauses. Wie dies genau funktioniert, erklären wir Ihnen im folgenden Video:

Eine Erdwärmeheizung  rentiert sich bei niedrigen Vorlauftemperaturen

Flächenheizungen steigern die thermische Behaglichkeit und ermöglichen in heißen Jahreszeiten ferner das Kühlen des Gebäudes. In Bestandsbauten oder Altbauten sind oft alte Heizkörper (Konvektionsheizungen) vorhanden. Diese benötigen aber hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 90 °Celsius, um einen Raum zu erwärmen. Eine  Erdwärmeheizung  der oberflächennahen Geothermie rentiert sich jedoch bei niedrigen Vorlauftemperaturen. Für eine rentable Nutzung der Erdwärme mit Wärmepumpen sollten solche Heizkörper daher gegen größere Niedertemperaturheizkörper ausgetauscht werden. Es ist zu empfehlen, individuell einen Energieberater zu konsultieren.

Auch die Gebäudekühlung ist mit der Erdwärme möglich  

Sind im Sommer die Außentemperaturen höher als die Untergrundtemperaturen, kann das System auch zur Kühlung des Gebäudes verwendet werden. Die Wärmepumpe wird dementsprechend ausgeschaltet. Die kühlere Flüssigkeit aus der Erde nimmt Wärme vom Heizungswassers auf und speichert diese im Erdreich. Das kühle Heizungswasser zirkuliert unterdessen durch das Haus und nimmt überschüssige Wärme über Flächenheizsysteme auf. Geht es um die Einsatzbereiche, eignet sich die oberflächennahe Nutzung der Erdwärme vor allem für private Haushalte. Aber auch Mehrfamilienhäuser, Gewerbe- und Industriebetriebe können diese Technik sinnvoll nutzen.