Grundlagen der oberflächennahen Geothermie

Die Sonnenenergie und die Wärme der Aussenluft erwärmen die Erdkruste in den obersten Metern. Auch Regenwasser kann einen Wärmeeintrag bewirken. Dabei ist bis in ca. 0,5 m Tiefe ein Einfluss der Tagestemperatur zu spüren, bis in max. 20 m Tiefe ist die jahreszeitliche Temperaturschwankung noch nachweisbar. In dieser Tiefe ist die Temperatur gerade ungefähr gleich der mittleren Jahrestemperatur der Aussenluft, je nach Grad der Sonneneinstrahlung. Das Bild unten zeigt die verschiedenen Wärmeströme in der oberen Erdkruste.

Herkunft der oberlächennahen Geothermie

Im Schweizer Mittelland liegt diese Temperatur bei ca. 9 °C bis 11 °C. Schon in Basel und sowieso im Tessin ist diese Temperatur 1 °C bis 3 °C höher. In Lagen über 500 m Meereshöhe hingegen wird diese Temperatur je nach Höhe und Klima deutlich tiefer.

Die Sonnenstrahlung vermag diese obersten Erdschichten nicht wesentlich über die mittlere Jahrestemperatur aufzuwärmen. Die tagsüber gewonnene Solarstrahlung geht nachts infolge Abstrahlung durch die Atmosphäre ins kalte Weltall wieder verloren.

Durch die Anreicherung der Atmosphäre mit CO2 und anderen klimawirksamen Gasen verschiebt sich diese Gleichgewichtstemperatur in letzter Zeit hin zu höheren Werten (Treibhauseffekt). Die obersten Erdschichten werden sich deshalb ebenfalls um die mittlere Temperaturerhöhung des Klimas erwärmen. Dieser Effekt kann bereits heute gemessen werden.

Unterhalb von 20 m ist die Erdtemperatur – grössere Grundwasserzirkulation ausgenommen – konstant. Je tiefer man in den Untergrund vordringt, desto höher wird die Temperatur. Dabei steigt die Temperatur im Mittelland relativ gleichmässig um etwa 3 °C pro 100 m an. 

Die Geothermie ist eine quasi unerschöpfliche Energiequelle und kann bedenkenlos genutzt werden. Allerdings muss noch besser untersucht werden, wie sich eine dichte Konzentration von Erdwärmesonden längerfristig auf die Bodentemperatur auswirkt. Anders als vielleicht erwartet, ist der Zufluss von neuer Wärme für Erdsonden gängigen Tiefen gering (ausser in Grundwasser führenden Schichten). Neuste Forschungsergebnisse zeigen, dass in Gebieten mit vielen Wärmesonden dem Boden wieder Wärme zugeführt werden muss, um die langfristige Auskühlung des Erdreichs zu verhindern (Regeneration). Am besten geschieht dies im Sommer, indem man das Fluid im Sondenkreislauf mittels Sonnenenergie erhitzt oder mit den Erdwärmesonden kühlt. Letzteres hat den Vorteil, dass die Anlage im Sommer ohne spürbaren zusätzlichen Energiebedarf zur Kühlung des Hauses verwendet werden kann, eine elegante Alternative zur stromhungrigen Klimaanlage.

Geothermie historisch und geografisch

Die Erdwärme wurde in Form von Thermalwasser schon seit römischen Zeiten und wohl noch früher genutzt. Eine erste Nutzung zur Stromproduktion begann vor ca. 100 Jahren in der Toskana, wo mit oberflächennahem heissem Dampf eine Dampfturbine betrieben wurde. Die Idee einer Erdwärmesonde ist ebenfalls schon alt, jedoch wurden lange Zeit kaum je solche Anlagen erstellt.  Erste Versuche in der Schweiz gehen zurück auf die Mitte der siebziger Jahre. "Bereits 1980 erfolgte der Bau einer ersten Wärmepumpenanlage mit Doppel-U-Sonden aus Polyethylen für ein Einfamilienhaus in Arbon. … Bis 1983 war die Nützlichkeit und Verlässlichkeit der Doppel-U-Sonden aus Polyethylen bereits genügend demonstriert." [Quelle:Zogg, 2008]

In den Jahren 2003 bis 2010 fand ein Boom der Nutzung von Erdwärme statt, und es werden seither in der Schweiz viele solche Anlagen erstellt. Nur in Schweden wurde bisher eine ähnlich grosse Anzahl an Erdwärmesonden erstellt. Die Schweiz hat inzwischen die höchste Dichte an Erdwärmesonden weltweit, sowohl auf die Fläche wie auch auf die Einwohner bezogen. Es sind 2013 in der Schweiz etwa 90 000 WP-Anlagen mit Erdwärmesonden in Betrieb.

In vielen anderen Ländern, insbesondere in Deutschland, findet diese Technik ebenfalls immer mehr Verbreitung.

Heute ist diese Technik so weit ausgereift, dass sie wirtschaftlich angewendet werden kann und im Allgemeinen störungsfrei funktioniert. Auf dieser Homepage finden Sie Informationen zur korrekten Auslegung, was die Effizienz dieser Anlagen steigert und vielen typischen Störfällen vorbeugt.

Forschung und Entwicklung

In ganz Europa sind viele Hochschulen und Forschungsinstitutionen damit beschäftigt, die wissenschaftlichen Grundlagen der Geothermie zu erforschen. In der Schweiz sind neben der ZHAW, Institut für Facility Management, folgende Institutionen in der Forschung im Bereich Geothermie aktiv: 

Die Hochschule Luzern (HSLU), Technik und Architektur in Horw ist aktiv in der Weiterentwicklung von Wärmepumpen.

"Das 2004 gegründete CREGE (Centre de recherche en géothermie) umfasst 45 Institutionen aus zwölf Kantonen. Angesiedelt ist das Zentrum bei der Universität Neuchâtel, um die dortige Geothermie-Forschungsgruppe des Centre d’hydrogéologie (CHYN) zu stärken und der Geothermie-Forschung und -Lehre in der Schweiz klarere Strukturen zu verleihen. Mit dabei sind Universitätsinstitute, ETH, Fachhochschulen, Bund und Kantone, Vereine sowie Unternehmungen. Die wichtigsten Tätigkeitsbereiche des CREGE sind die angewandte Forschung, Lehre, Promotion sowie Dienstleistungen für geothermische Aufgabenstellungen." [Quelle:BFE, 2006]
Das CREGE befasst sich vor allem mit der tiefen Geothermie.

Die Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut für Energie am Bau, in Muttenz forscht vor allem an der Verbesserung der Wärmepumpen. Ebenso wurde ein Versuchsstand aufgebaut, um neuartige Anlagenkonfigurationen messtechnisch erfassen zu können.

Die Fachhochschule in Buchs SG betreibt das Wärmepumpen-Testzentrum der Schweiz. Sie ist in Forschung und Entwicklung im Bereich Wärmepumpen und Solarenergie aktiv.

An der ETH Zürich hat Prof. Hansjürg Leibundgut einen Weg aufgezeigt, Gebäude ohne fossile Energie und ohne CO2-Emissionen am Standort planen zu können. Er entwicklet auch innovative Typen von Erdwärmesonden.

Daneben gibt es weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte an Hochschulen und bei privaten Ingenieurbüros und Herstellerfirmen.

 

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