Die Erdwärme und ihre Nutzung

Erdwärme aus dem Erdinneren. Unser Planet speichert und produziert Wärme und Energie. Diese kann als eine der regenerativen Energiequellen heute durch moderne Technik und Verfahren vom Menschen zutage gefördert und genutzt werden. Die Erdwärme spielt unter anderem als Heizwärme eine wichtige Rolle. Die Geothermie verzeichnet einige vorteilhafte Aspekte in der Nutzung sowie ihren speziellen Technologien und Heizsystemen.

Die Erdwärme als Energiequelle

Im Inneren unseres Planeten herrschen heiße Temperaturen. Im Erdkern betragen die Temperaturen sogar mehrere tausend Grad Celsius, die in Richtung Erdkruste zunehmend weniger werden. An der Erdoberfläche werden die Erdtemperaturen von dem Klima beeinflusst. Die thermodynamische Temperatur des Erdkerns wird auf 6.000 Kelvin (K) geschätzt. Die Erde speichert und produziert 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.

Schalter mit der Aufschrift Erdwärme - Erdwärmeheizung

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 Sonnenenergie. 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 der Erdwärme

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 °Celsius an. Je tiefer der Bereich ist, aus dem die Erdwärme genutzt wird, desto höhere Temperaturen werden erreicht. Folglich kann mehr Energiemenge gewonnen werden. Auf Deutschlands Territorium beispielsweise liegt die Höhe der Temperatur in 20 Meter Tiefe bei rund 10 °Celsius. In 2 Kilometer Tiefe sind es zwischen 60 °Celsius und 80 °Celsius sowie in 3 Kilometer Tiefe bei 100 °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 und die geowissenschaftliche Erforschung der thermischen Erdsituation, wird jedoch auch oft als Synonym für Erdwärme verwendet.

Wofür und wie 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 Kollektoren, Erdwärmekörbe oder senkrecht im Boden integrierte Erdwärmesonden.

In den geschlossenen oberflächennahen Systemen läuft folgender Kreislauf ab: In einer bestimmten Tiefe bis maximal 400 Meter zirkuliert eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser in einem geschlossenen Rohrsystem und saugt die Erdwärme mit Temperaturen von z. B. 13 °Celsius aus dem Boden auf. Die aufgewärmte Flüssigkeit wird an der Oberfläche an die Wärmepumpe übertragen. In der Wärmepumpe nimmt ein Wärmeträger, wie z. B. ein Kältemittel, das bei niedrigen Temperaturen verdampft, die Wärme aus der Flüssigkeit auf. Ein Kompressor verdichtet anschließend den Dampf. Dadurch erhöhen sich der Druck und die Temperatur. Von dort wird jetzt die Wärme bei optimaler Heiztemperatur an das Heizsystem im Gebäude weitergeleitet. In einem Pufferspeicher kann die Wärme gespeichert und zum Heizen oder zum Aufwärmen von Wasser genutzt werden. Über ein Expansionsventil wird das Mittel wieder abgekühlt, verflüssigt und in den Niederdruckbereich überführt. Nach und nach kann es wieder Wärme aufnehmen und der Prozess beginnt von Neuem. Für den Betrieb des Kompressors wird zusätzlich Strom benötigt.

Nutzung der Erdwärme zur Kühlung

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 wird in dem Heizsystem des Hauses verteilt. Sie entzieht in diesem Fall dem Haus die Wärme und leitet die Raumwärme über die Anlage in den Untergrund. So wird das Haus angenehm kühl, während die Wärme energieeffizient in den Boden geführt und dort gespeichert wird. Die oberflächennahe Geothermie ist vor allem für Privathaushalte mit eigenem Grundstück geeignet.

Die Tiefengeothermie

Die Tiefengeothermie wird dagegen vorwiegend für die Wärmeversorgung von ganzen Ortschaften oder Stadtteilen eingesetzt. Bis in mehrere Tausend Meter tief gebohrt, wird die Erdwärme z. B. mit dem heißen Wasser aus Thermalquellen bei Temperaturen von über 100 °Celsius, aus Bergbauanlagen oder Tunnelsystemen (hydrothermale Energiegewinnung) oder die gespeicherte Wärme aus heißen trockenen Gesteinen (petrothermale Energiegewinnung) an die Oberfläche befördert. Durch die Tiefengeothermie lässt sich sowohl Heizwärme gewinnen, als auch Strom erzeugen.

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 und meist zur Wärmeversorgung genutzt. Ein Beispiel dafür bildet auch die Nutzung der Wärmeenergie aus dem Grundwasser mittels Wärmepumpe (Grundwasserwärmepumpe). Bei entsprechend hydrogeologischen Voraussetzungen auf einem Grundstück kann sie deshalb eine energieeffiziente Möglichkeit darstellen. 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 Energie wird in Island aus der Erdwärme gewonnen. Sie ist dort aufgrund der geologischen Beschaffenheit auch schon in geringeren Tiefen über hohe Temperaturen verfügbar. Deutsche Regionen, in denen die Tiefengeothermie, insbesondere in hydrothermalen Reservoirs, genutzt wird und einige Anlagen existieren, 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 mit dieser Wärme. 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.

Heizung.de Autor Philipp Hermann

Fazit von Philipp Hermann

Die regenerative Erdwärme ist eine energieeffiziente, klimaschonende und zukunftsträchtige Alternative in der Wärmeversorgung, die viele Möglichkeiten der Nutzung eröffnet. Insbesondere im Rahmen der oberflächennahen Geothermie kann die Erdwärme auch in deutschen Landen auf nahezu jedem Grundstück unabhängig genutzt werden. Dies ist besonders für Eigenheimbesitzer interessant. Die Erdwärmeenergie selbst ist im Gegensatz zu anderen Heizstoffen kostenlos, vor allem wenn sie aus dem eigenen Garten bezogen wird. Kosten fallen nur durch die Anschaffung und die Unterhaltung der Anlage an. Die Geothermie kann aber auch mit anderen Technologien, wie Photovoltaik oder Solarthermie wirtschaftlich und ökologisch effektiv kombiniert werden.

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