Unsere Leistungen für tiefe Geothermie

Als Bohrung wird das Loch bezeichnet, welches in das Erdreich gebohrt werden muss. Für oberflächennahe Geothermie werden zumeist Bohrungen zwischen 60…120 m mit einem Durchmesser von 150 mm gebohrt. Der Bohraufwand ist stark vom Untergrund abhängig und muss individuell kalkuliert werden. Mit jedem Bohrmeter steigt der Aufwand, sodass es manchmal einfacher ist 2x 60 m zu bohren als 1x 120 m. 

Als Sonde im geothermischen Sinne wird die Verrohrung bezeichnet, welche fest ins Bohrloch eingebaut wird. Es gibt verschiedene Sondenarten z.Bsp. U-Rohr-Sonden, Doppel-U-Rohr-Sonden, Koaxialsonden und eben Ringrohrsonden. Entscheidend für die Effizienz einer Sonde ist A) die Fläche (Umfang x Länge) womit Wärme aufgenommen werden kann und B) wie weit die ab- und aufsteigenden Rohre voneinander entfernt sind (thermischer Kurzschluss). 

Das Wärmeträgermedium ist eine Flüssigkeit (bei speziellen Verfahren auch ein Gas), welche auf dem Weg nach unten die Wärme aufnimmt und oben wieder abgibt. Hierbei kommt überwiegend ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel zum Einsatz. Als Frostschutzmittel kommen zumeist Ethylenglykol oder Ethanol zum Einsatz. Entscheidendes Auswahlkriterium eines Wärmeträgermediums sind dessen chemische und biologische Unbedenklichkeit sowie eine mechanische und prozesstechnische Handhabbarkeit.

Die Wärmepumpe ist ein technisches Hilfsmittel, um Wärme aus einer Wärmequelle mit niedriger Quellentemperatur (Erdreichtemperatur in Deutschland bei 10 bis 12 °C) auf ein Wärmeträgermedium  zu übertragen und dessen Temperatur auf >35°C zu bringen. Erst dann ist die Wärme zur Raumbeheizung, Trinkwassererwärmung (TWE) oder für technische Anwendungen beispielsweise in der Lebensmittel- oder Chemieindustrie nutzbar. Für oberflächennahe Geothermie wird die Wärmepumpe fast immer benötigt. Hauptbestandteil der Wärmepumpe ist ein Verdichter (Kompressor), der auf der kalten Seite (Ansaugseite, Verdampfer, Wärmequelle) ein Kältemittel [...] bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck im gasförmigen Zustand (Dampf) ansaugt und auf einen wesentlich höheren Druck verdichtet. Durch diese nahezu adiabate Verdichtung steigt die Dampftemperatur stark an. Im druckseitigen Wärmetauscher (Kondensator, Wärmeverteilung) sinkt infolge des Wärmebedarfes der Heizung zunächst die Temperatur auf die Kondensationstemperatur ab, der Dampf beginnt zu kondensieren und gibt dabei die Kondensationswärme (betragsmäßig gleich der Verdampfungswärme) wieder ab [...]." Kennzeichnend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist der COP (s. Arbeitszahl / Leistungszahl (COP)). Generell gilt, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Quellentemperatur (Umgebung) und Nutztemperatur (Heiz- oder Warmwasser) umso höher ist der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe. Je größer die Temperaturdifferenz, umso mehr wird die gewünschte Wärme durch den Einsatz von elektrischer Energie erzeugt. 

Die zwei wesentlichen Kennzahlen einer Wärmepumpe sind die Leistungszahl (COP = Coefficent of Performence) und die Jahresarbeitszahl (JAZ). Die Leistungskennzahl (COP) wird durch die Wärmenutzleistung geteilt durch die Antriebsleistung ermittelt. Bei einem COP = 4 setzt sich die Nutzwärmeleistung aus 1 kW elektrischer Antriebsleistung und 3 kW Umgebungswärme (aus dem Erdreich, der Luft, einem See usw.) zusammen. Hier wird meist der Bestpunkt angegeben. Für den Jahresverlauf ist dieser Kennwert aber nicht sonderlich aussagekräftig und man darf sich hier nicht irreleiten lassen. Für die tatsächliche jahresbezogene Effizienz einer Wärmepumpe ist die JAZ (Jahresarbeitszahl) von Bedeutung. Hierbei werden statt der Leistungen die Nutzwärme durch die aufgewendete elektrische Arbeit geteilt. Für eine JAZ = 4 setzt sich die Nutzwärme aus 1 kWh Antriebswärme und 3 kWh Umgebungswärme zusammen. Durch den sich verändernden Jahres-, ja sogar den Tagestemperaturverlauf verändert sich der COP fortlaufend. Je geringer die Quellentemperatur ist, desto mehr Leistung muss aufgewendet werden, um die gewünschte Nutzenergie bereitstellen zu können. Die JAZ ist immer kleiner oder bestenfalls gleich COP. Für Geothermie spricht, dass die Quellentemperatur im Jahresverlauf immer gleich hoch ist und somit der Energieeinsatz zum Erzeugen von nutzbarer Wärme immer geringer ist als mit einer Luftwärmepumpe. 

Um eine Geothermieanlage effizient betreiben zu können, wird Ihr Betrieb getaktet. Würde die Wärmepumpe konstant betrieben werden, würde die Wärme im Erdreich nicht so schnell nachströmen. Das Erdreich kühlt aus und das Temperaturgefälle zwischen Erdreich und Wärmeträgermedium wird zu gering. Es sind Regenerationsphasen erforderlich, sodass die Temperatur um das Bohrloch wieder ansteigen kann. Je größer das Temperaturgefälle, desto größer ist das Potenzial des Wärmenachstroms. Der Wärmeflusswiderstand des Erdreiches setzt hier Grenzen bei dem Regenerationswärmestrom. Wird die Wärmepumpe aber getaktet, kann in den Ruhephasen immer wieder soviel Wärme nachströmen, dass sich die Temperatur um die Sonde immer wieder anhebt. Ein besonderer Mechanismus ist die Vereisung um eine Sonde. In ihr wird ohne Temperaturänderung Wärme entzogen und während der Regenerationsphase Wärme aufgenommen. Erst wenn der Ver- bzw. Enteisungsprozess abgeschlossen ist, ändert sich die Temperatur wieder.  Mit jedem Wiedereinschalten / Takten kann erneut Wärme von einem höheren Temperaturniveau als dem Gleichgewichtszustand bei Dauerbetrieb ausgenutzt werden. Optimal ist eine Taktrate, wenn diese das Temperaturgleichgewicht noch nicht ganz erreicht hat. Mit Taktung der Wärmepumpe lässt sich so über den Tagesverlauf mehr Wärme aus dem Erdreich aufnehmen als im Dauerbetrieb. Die JAZ steigt. Unsere Software simuliert die Strömungsprozesse mit einer sinnvollen Taktung für einen Zeitraum von bis zu 50 Jahren nach. 

Das Erdreich ist nicht nur eine gute Wärmequelle, sondern auch ein guter Wärmespeicher. Im Sommer kann überschüssige Wärme, welche mittels einer Klimaanlage dem Gebäude entzogen wird, im Erdreich eingelagert werden. Das Gestein im Untergrund wärmt sich dann auf bis zu 20°C auf. Diese eingelagerte Wärme dient als Vorschuss für die folgende Heizperiode. Umgekehrt kann die verhälnismäßig kühle Temperatur aus dem Untergrund - ohne diese mit einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau zu heben - dann direkt zum Klimatisieren genutzt werden.  Das Praktische daran: Es wird zum Klimatisieren lediglich die elektrische Arbeit einer Umwälzpumpe benötigt. Die Wärmepumpe kommt nur beim Heizen zum Einsatz. Bei Luftwärmepumpen muss diese immer in Betrieb sein und benötigt zum Klimatisieren eines Gebäudes nicht unerheblich elektrische Energie.  Die Kombination aus Heizen und Kühlen mit einer Geothermieanlage erhöht die Jahresarbeitszahl (COP) und somit die Gesamteffizienz enorm.

Erdwärme, insbesondere das Bohren, ist nicht ganz ohne Risiken:  - Hauptrisiko ist die Geologie selbst und die erforderlichen Abdichtungsmaßnahmen zur Trennung der einzelnen Schichten zueinander. Es ist sicher zu stellen, dass die Abdichtungen insbesondere von Grundwasser führenden Schichten zu den umgebenden Schichten gelingt. Anderenfalls kann Wasser in diese Schichten eindringen und zu Umwandlungsprozessen führen. Eine Folge kann das Quellen dieser Schichten (z.B. durch Umwandlung von Anhydrit zusammen mit Wasser zu Gips) sein, was zu einer Bodenhebung führen kann. - Ist Grundwasser kontaminiert (z.B. durch Bergbau oder durch von Natur aus giftige Bodenschichten) darf es auf keinen Fall, weitere Erdschichten, kontaminieren. - Werden Hohlräume durchstoßen, kann es zu Verkantung des Bohrgestänges führen. - Beim Verfüllen des Bohrlochs kann ein unerkannter Hohlraum dazu führen, dass dieser mit verfüllt werden muss, was zu hohen Kosten führen kann.  - Ist der Wärmeleitwiderstand des Erdreiches an der Bohrung größere als das vorhandene geologische Profil anzeigt, kann es vorkommen, dass die Sonde nicht die projektierte Leistung erbringt und somit der Stromverbrauch für die Wärmebereitstellung steigt. Einzelne misslungene Projekte sind ab und an medienwirksam kommuniziert worden. Diese sind zumeist nicht gelungen, weil fachfremde Unternehmen mit nicht ausreichender Expertise an der Umsetzung beteiligt waren oder weil an Voruntersuchungen gespart wurde. Ferner treten die meisten Probleme bei Bohrungen vornehmlich bei tiefen Bohrungen >  1000 m auf.  Geothermie mit Ringrohrsonden reduziert die o.g. Risiken enorm, da A) weniger Bohrmeter erforderlich sind, B) durch den patentierten Gewebeschlauch eine klare Trennung der Erdschichten erreicht wird und auch Hohlräume sicher verschlossen werden und C) die Expertise der Mitarbeiter bei der Erkundung und Umsetzung der Bohrungen vorhanden ist. 

Laut BBergG gilt Erdwärme als »berg-freier Bodenschatz«. Bleibt jedoch die Erdwärmeentnahme ohne Beeinflussung benachbarter Grundstücke, was bei Entnahmeleistungen unter 30 kW und hinreichendem Abstand zur Grundstücksgrenze immer anzunehmen ist, bedarf es keiner Genehmigung durch das Bergamt. Unabhängig davon sind jedoch Bohrungen mit Tiefen mehr denn 100 m nach BBergG der Bergbehörde vom Auftraggeber der Bohrung oder vom beauftragten Bohrunternehmer anzuzeigen. Bei der am weitesten verbreiteten Gewinnung von Erdwärme durch Installation von Sonden in 50 – 100 m tiefen Bohrlöchern ist die Errichtung einer derartigen Anlage durch eine Anzeige bei den zuständigen Behörden bekannt zu geben und ggf. bedarf es einer wasserrechtlichen Erlaubnis durch die untere Wasserbehörde im zuständigen Landratsamt bzw. Stadtverwaltung. Laut Lagerstättengesetz sind zudem alle Bohrungen (unabhängig von ihrer geplanten Tiefe) durch den Bohrunternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Arbeiten bei der zuständigen geologischen Anstalt des Landes anzuzeigen. Im Einzelfall nehmen Sie mit uns Kontakt auf und wir prüfen anhand Ihres Standortes die erforderlichen behördlichen Maßnahmen.