Erdwärmesonde

Bohrung einer Erdwärmesonde (links im Vordergrund aufgerollt die eigentliche Sonde)

Unteres Ende einer Erdwärmesonde

Oberes Ende einer Erdwärmesonde

Erdwärmesonden (EWS Heizung) sind Rohrbündel, die in einem aus dem Bohrbrunnenbau entlehnten Bohrverfahren im Boden eingebracht werden. Mit ihrer Hilfe wird die Erdwärme aus dem tieferen Erdreich gewonnen, die zumeist zum Heizen (Wärmepumpenheizung) oder Kühlen verwendet wird.

Aufbau und Funktion

In das Bohrloch werden Rohrpaare eingeführt, die jeweils am unteren Ende mit einem U-förmigen Teil verbunden werden. Man spricht daher auch von U-Sonden. Der verbleibende Hohlraum im Bohrloch wird mit einem Material mit einer guten Wärmeleitung verfüllt, zumeist mit Bentonit oder Einpressmörtel. Damit wird eine gute Wärmeübertragung von dem Erdreich zu den Röhren der Sonde erreicht. Gleichzeitig wird damit das Bohrloch wieder abgedichtet, um Austreten von Grundwasser oder umgekehrt das Eindringen von Schadstoffen in das Grundwasser zu verhindern.

Die übliche und weit verbreitete Erdwärmesonde besteht aus Kunststoffrohren (HD-Polyethylen, HDPE), die mit Sole gefüllt sind, einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Solegefüllte Erdsonden werden jedoch häufig in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten nicht zugelassen.

Mit Hilfe einer Umwälzpumpe wird die in einem geschlossenen Kreislauf befindliche Wärmeträgerflüssigkeit in die Erdwärmesonde gepumpt und auf ihrem Weg zur tiefsten Stelle und zurück durch die Erdwärme über die Wandung erwärmt. Damit bildet die Erdwärmesonde einen großflächigen Wärmeübertrager. Die große Oberfläche wird auch durch Bündelung von Rohren erreicht (Prinzip des Rohrbündelwärmeübertragers), wobei in der Praxis zumeist 2 Rohrpaare pro Bohrloch benutzt werden.

Damit Wärme übertragen werden kann, muss die aufnehmende Wärmeträgerflüssigkeit kühler als die Bodentemperatur sein. Diese Notwendigkeit wird zuvor durch eine Wärmepumpe sichergestellt. Die Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt sich in der Sonde, kann jedoch nicht wärmer als der Boden werden.

Die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit strömt in einen Wärmeübertrager der Wärmepumpe, um durch Verdampfungskühlung die enthaltene Wärme zu entziehen. Die nachgeschaltete Wärmepumpe dient zur Anhebung auf das für die Heizung erforderliche Temperaturniveau. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Erdtemperatur und der gewünschten Heizmedientemperatur ist, desto mehr mechanische Pumpenergie ist notwendig. Daher sind Niedertemperatur-Heizsysteme wie beispielsweise eine Fußbodenheizung vorteilhaft.

Auslegung und Dimensionierung

Planungen für Erdwärmesonden erfordern eine umfangreiche Berechnung. Dem zu ermittelnden Wärmebedarf steht die Ergiebigkeit gegenüber. Um Vereisung zu vermeiden, ist die Wärmeaufnahme auf Grund der endlichen Wärmeleitfähigkeit des Bodens begrenzt.

Zur Dimensionierung bzw. Leistungsberechnung können downloadbare Simulationsmodelle verwendet werden. Mit solchen Modellen sind in einfacher Weise Vergleichsbetrachtungen zum Erdwärmekollektor möglich. Diese Berechnungen können einen groben Überblick vermitteln. Genauere Berechnungen können nur in Bezug auf Kenntnis des geologischen Untergrundes berechnet werden. Bei großen Anlagen (> 30 kW) können zusätzlich genauere geothermischen Wärmeleistung des Untergrundes durch spezielle Untersuchungen wie etwa den TRT Thermal Response Test ermittelt werden. Dafür bedarf es einer Probebohrung.

Geothermisch ungünstiger Untergrund (z.B. trockene Sande) erfordern mehr Bohrmeter (=Erdwärmesondenmeter), die sehr hohe Investitionen für eine Oberflächennahe Erdwärmenutzung bedürfen. Daher sollte eine fachkundliche Berechnungen über die notwendigen Erdwärmesondelängen bei der vorhanden Geologie in einer Machbarkeitsstudie ermittelt werden, in der die auch Wirtschaftlichkeit einer Erdwärmesondenanlage betrachtet wird.

Bohrtiefen

Ab einer Tiefe von ungefähr 10 Metern bleibt die Temperatur über das Jahr praktisch unverändert und beträgt im Bereich von Mittelgebirgen um 11 °C. Die Temperatur nimmt alle 30 Meter Tiefe um 1 °C zu. Daher hat die Erdwärmesonde gegenüber dem Erdwärmekollektor einen höheren Wirkungsgrad. Die Tiefe einer Bohrung variiert nach dem geologischen Aufbau des Untergrundes und wird für den normalen Wohnungsbau tiefer als 50 Meter bis zu 300 Meter durchgeführt. Je nach lokalen Gegebenheiten und Leistungsanforderung kann die Bohrtiefe bis zu 400 Meter und tiefer betragen. Es gibt vereinzelt experimentelle Bohrtiefen bis 3000 Meter, wobei hier der Aufwand den Nutzen übersteigt.

Im privaten Wohnungsbau (Einfamilienhaus) in Deutschland sind Erdwärmesonden selten tiefer als 100 m. In anderen Ländern sind auch tiefere Erdwärmesonden gängig. So wird in der Schweiz regelmäßig bis ca. 300 Meter Tiefe gebohrt. Neben den hohen Kosten für das Bohrgerät (Bohrkosten) muss eine entsprechende Genehmigung (u.a. wasserschutzrechtliche Bestimmungen) eingeholt werden und bei größeren Tiefen als 100 Meter auch das Bergrecht beachtet werden.

Wenn größere Wärmeübergangsflächen notwendig sind, werden mehrere Bohrungen meist im Abstand von einigen Metern nebeneinander eingebracht. Da in die Tiefe gebohrt wird, ist der Platzbedarf im Vergleich zum Erdwärmekollektor gering.

Anwendung

Hauptsächlich dienen Erdwärmesonden der Gewinnung von Umgebungswärme mittels Wärmepumpen. Aber auch die Variante zur Kühlung kann über Erdsonden umgesetzt werden. Hierbei wird Wärme aus Gebäuden über die Wärmepumpe in das Erdreich übertragen. Das Erdreich dient also zum Abkühlen der Wärmeträgerflüssigkeit. Diese kann nicht kühler als die Bodentemperatur werden. Werden tiefere Temperaturen notwendig, wird eine nachgeschaltete Kältemaschine erforderlich.

Tiefe Erdwärmesonden werden ausschließlich zum Heizen eingesetzt. Soll auch der Kühlfall abgedeckt werden, können die Bohrtiefen auf Grund der Speicheranwendung reduziert werden.

Großtechnische Anlagen

Erstmals flächig erforscht werden soll der Einsatz von Erdwärme im Erdwärmepark in Neuweiler im Nordschwarzwald, einem Baugebiet, in dem ausschließlich Erdwärme zu Zwecken der Gebäudeheizung und –kühlung verwendet wird. Hier soll im Rahmen eines Modellprojekts auch das Heizen bzw. Kühlen der vorhandenen Straßen erstmals umgesetzt werden.

Seit dem 10. November 1994 ist die Erdwärmetiefensonde Prenzlau mit einer Tiefe von 2790 m und einer Dauer-Wärmeleistung mit Wärmepumpe von 520 kW bei einer Gesteinstemperatur von 108 °C in Betrieb. Die Wärmeleistung ohne Wärmepumpe beträgt 150 kW. Die Tiefensonde zeichnet sich durch einen praktisch störungsfreien Betrieb über die Jahre aus, mit seltenen Unterbrechungen von einigen Stunden.

Die RWTH Aachen hat im Rahmen des Baus des Gebäudes SuperC im November 2004 mit einer Erdwärmesonde eine Tiefe von 2500 m erreicht. Die Gesteinstemperaturen erreichen 70 bis 100 Grad Celsius. Die Erdwärmesonde wird eine Leistung von ca. 450 kW liefern. Dies erspart jährlich ca. 300 t CO₂ bei der Gebäudeheizung.

Weblinks

• Fotodokumentation einer Erdsondenbohrung bei einem Privathaus
• Tiefe Erdwärmesonde Oftringen
• Geothermie -Nutzung der Erdwärme, Überblick, Technologien, Visionen (PDF, 3,9 MB) Bundesamt für Energie (BFE), Schweiz
• Geothermische Vereinigung - Bundesverband Geothermie Möglichkeit, eine kostenlose Infobroschüre für Bauherren zu bestellen
• geothermie.ch Webseite der Schweizerischen Vereinigung für Geothermie
• erdsondenoptimierung.ch Webseite "Optimierung von Erdwärmesonden" strukturiert nach Zielgruppen und Themen, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Schweiz