Kurzbeschreibung Geothermische Quellensysteme (Auswahl)

Aufgrund der geringen Störanfälligkeit, wegen der hohen Lebensdauer, aber auch aufgrund genehmigungsrechtlicher Randbedingungen werden bei der oberflächennahen Geothermie überwiegend geschlossene geothermische Quellensysteme (u.a. Erdwärmesonden, Energiepfähle, Erdreichkollektoren, aber auch Sonderbauformen wie thermisch aktivierte Bodenplatten oder Bohrpfahlwände) realisiert.

Ein wesentlicher Vorteil „geschlossener“ Systeme im Vergleich zu den „offenen“ Systemen ist die hohe Lebensdauer der geothermischen Quellenanlage (> 50 Jahre). Weitere Vorteile sind Wartungsfreiheit und hohe Zuverlässigkeit. Von geschlossenen Systemen geht keine wesentliche hydraulische Beeinflussung für die Grundwasserleiter aus.

Durch das geschlossene Rohrsystem zirkuliert ein Wasser-Glykol-Gemisch als Wärmeträger, das dem Erdreich Wärme/Kälte entnimmt und einer Wärmepumpe bzw. dem Gebäude direkt zuführt.

Erdwärmesonden

Erdwärmesonden sind in Deutschland und Europa das häufigste verwendete geothermische Quellensystem.
Für eine geothermische Nutzung des Untergrundes mittels Erdwärmesonden wird der Untergrund in der Regel bis zu Tiefen zwischen 50 m und 150 m erschlossen. Größere Erschließungstiefen sind möglich, wären allerdings auch mit höheren spezifischen Bohrkosten verbunden.

Bei der Dimensionierung von Erdwärmesondenfeldern müssen sowohl rechtliche Rahmenbedingungen, als auch systembedingte Bemessungsgrenzen der im Betriebszeitraum auftretenden Temperaturen eingehalten werden.
Durch eine vorläufige geothermische Leistungsprognose für Erdwärmesonden (Simulation z.B. mittels der Geosoftware „Earth Energy Designer“) kann prognostiziert werden, wie viele Erdwärmesonden mit welcher Tiefe erforderlich sind, um den Jahresbedarf an Wärme und/oder Kälte abzudecken.

Für Erdwärmesondenanlagen mit einer Gesamtleistung von > 30 kW wird neben der Erkundungsbohrung und dem Geothermal Response Test eine numerische Simulation zur Systembemessung und zur Modellierung der thermischen Auswirkungen des Anlagenbetriebs auf den Untergrund empfohlen.

Energiepfähle

Bei ungünstigen Baugrundbedingungen ist i.d.R. eine Tiefgründung der Gebäude erforderlich. In diesem Zusammenhang besteht die Möglichkeit der geothermischen Aktivierung dieser Gründungspfähle zu „Energiepfählen“ (geschlossenes geothermisches Quellensystem).

Energiepfähle nutzen das oberflächennahe geothermische Potential zum Heizen und/oder Kühlen. Die über das Jahr relativ konstanten Erdreich- und Grundwassertemperaturen von ca. 8 bis 12 C° (Mitteleuropa und südliches Nordeuropa) bieten optimale Voraussetzungen der Wärme- bzw. Kältegewinnung für die umweltgerechte und wirtschaftliche Klimatisierung von Gebäuden. Bei wechselseitigem Heiz- und Kühlbetrieb fungieren Energiepfähle und das sie umgebende Erdreich als saisonaler Kälte- und Wärmespeicher.

Energiepfahlanlagen erfordern eine optimale, den Untergrundverhältnissen angepasste Auslegung und Dimensionierung. .

Erdreichkollektoren

Erdreichkollektoren (in der Regel Flächenkollektoren) sind Wärmeübertrager, die horizontal unterhalb der örtlichen Frostgrenze (Tiefenbereich ca. 1,2...1,5 m) hauptsächlich mäanderförmig im Erdreich verlegt werden.

Im Gegensatz zu den Erdwärmesonden wird bei den horizontalen Erdreichkollektoren nahezu ausschließlich - saisonal im Erdreich gespeicherte - Umweltwärme genutzt, welche maßgeblich durch Sonnenstrahlung, Lufttemperatur und Niederschläge beeinflusst wird. Dieser Umstand ermöglicht bei fachkonformer Dimensionierung des Erdreichkollektors eine vollständige jährliche thermische Regeneration des genutzten Bodenkörpers.

Die erzielbare Entzugsleistung ist abhängig von der Beschaffenheit und den Eigenschaften des Bodens und variiert gemäß VDI-Richtlinie 4640 zwischen 10 W/m² und 40 W/m². Nachteilig ist der relativ große Flächenbedarf im Vergleich zu Erdwärmesonden, die demgegenüber aufwendige Tiefbohrungen erfordern.

Eine geothermische Kühlung mittels Erdreichkollektoren ist aufgrund der Umwelteinflüsse und der damit verbundenen sommerlichen Erwärmung des oberflächennahen Erdreichs nur bedingt möglich.

Thermische Brunnen (Offenes System)

Offene Systeme der Grundwassernutzung werden bei Nachweis geeigneter Grundwasserleiter sowohl für die Wärme-, als auch für die Kältegewinnung genutzt. Vorteil der „direkten“ Grundwassernutzung sind die ganzjährig hohen - relativ konstanten - Nutztemperaturen von ca. 9...12 °C. Des Weiteren bietet dieses Temperaturniveau die Möglichkeit der sehr wirtschaftlichen und umweltfreundlichen freien Kühlung.

Die Lebensdauer von Brunnen wird durchschnittlich mit 15 Jahren angegeben und kann bei guter Pflege und Wartung bzw. angepasster Auswahl der Ausbaumaterialien ggf. verlängert werden.
Brunnen unterliegen grundsätzlich der Alterung und müssen zur Wiederherstellung der Leistung/Funktion je nach Beanspruchung und der spezifischen hydrogeologischen bzw. chemisch/physikalischen Verhältnisse in regelmäßigen Intervallen überprüft und regeneriert/gereinigt werden.

Voraussetzung für die Genehmigungsfähigkeit einer Grundwasserförderung ist u.a. der Ausschluss bauwerkschädlicher und ökologisch bedenklicher Grundwasserabsenkungen durch den Betrieb der Brunnenanlage.
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