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Oberflächennahe Geothermie

Wenn die im Erdinneren vorliegende Wärme nur bis zu einer Tiefe von rund 200 Metern genutzt wird und keine geologischen Anomalien vorliegen, spricht man von der oberflächennahen Geothermie.

Die Temperaturen innerhalb der Erde, die in diesen eher geringen Tiefen vorliegen, sind für eine direkte Nutzung nicht hoch genug. Genutzt werden kann diese Wärme jedoch, wenn man die im Erdinneren vorliegenden Temperaturen mittels Wärmepumpen anhebt.

Wie das Prinzip einer Wärmepumpe funktioniert, kann man sich wie folgt vorstellen:

Wenn ein Fluid seinen Aggregatzustand vom flüssigem zum gasförmigen Aggregatzustand wechselt, expandiert bei diesem Vorgang das Volumen des Fluides. Während dieses Vorganges nimmt das Fluid Wärmeenergie aus der Umgebung auf. Das Fluid enthält jetzt also zusätzliche Wärmeenergie. Wenn man nun das Fluid wieder verdichtet, also das Volumen reduziert, ist die Temperatur des Fluides im Vergleich zum Urzustand gestiegen, da dieses noch die zusätzliche Wärmeenergie enthält, die bei der vorangegangen Expansion der Umgebung entnommen wurde.

Dieses grundsätzliche Funktionsprinzip einer Wärmepumpe mag sich recht kompliziert anhören, die Technik ist jedoch lange bekannt und findet sich in beinahe jedem Haushalt.
So funktioniert zum Beispiel ein Kühlschrank ebenfalls mittels des Prinzips der Wärmepumpe. In diesem Falle nimmt ein Kühlmittel (Fluid) während der Expansion (in den Wänden des Kühlschrankes) Wärmeenergie aus dem Innenraum des Kühlgerätes auf. Die Temperatur im Inneren des Kühlschrankes sinkt somit. Das Kühlmittel (Fluid) wird anschließend wieder verdichtet, wobei sich die Temperatur des Kühlmittels erhöht hat (da es jetzt zusätzlich die Wärmeenergie aus dem Kühlschrankinneren enthält). Um die Temperatur des Kühlmittels wieder auf den Ausgangswert zu bringen, wird Wärme über die Kühlrippen an der Rückwand des Kühlschrankes abgegeben.
Wer diese Kühlrippen einmal berührt hat, wird sicherlich glauben können, dass es möglich ist, Temperaturen auf ein recht hohes Niveau “hoch zu pumpen”.

Bei der oberflächennahen Geothermie werden diese thermodynamischen Vorgänge genutzt, um die Wärmeenergie, die im Inneren der Erde vorliegt, auf das innerhalb von Erdsonden expandierende Fluid zu übertragen. Das Fluid wird anschließend an der Oberfläche verdichtet und somit wird die relativ geringe Wärme des Erdinneren auf ein Niveau hochgepumpt, das ausreicht, um Gebäude beheizen zu können.
Damit das zum Einsatz kommende Fluid hinreichend Wärmeenergie aus dem Erdinneren entnehmen kann, muß in der erforderlichen Tiefe genügend Kontaktfläche gegeben sein.
Dies erreicht man über das Einbringen mehrerer Sonden, die in die Erde gebohrt werden, oder durch Kollektorsysteme, die großflächig horizontal in die Erde eingebracht werden.