Diplomarbeit "Oberflächennahe Geothermie"

Oberflächennahe Geothermie - Vergelich von Erdwärmesonden und Kollektoren

Dipl.-Ing. Rene Hellwig

Die meiste Energie wird in Haushalten beim Heizen verbraucht. Die Nutzung der Energieträger verteilt sich wie folgt:
fossile Ressourcen - 82%, Kernenergie - 13%, erneuerbare Energien - 5%.
Eine Erdwärmeanlage nutzt die Energie aus der Erde. Diese erneuert sich bis zu einer Tiefe von 10 - 15 m durch Sonneneinstrahlung mit ca. 1000W/m² und ab einer Tiefe von 15 m durch den geothermischen Wärmefluss der zwischen 0,04 - 0,12 W/m² liegt. Wichtige Eigenschaften des Untergrunds sind die Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m•K)], die Temperaturleitfähigkeit α [m²/s] und die spezifische Entzugsleistung, die für Erdkollektoren in [W/m²] und für Erdsonden in [W/m] angegeben wird.

Erdwärme kann durch Erdwärmekollektoren, die im oberflächennahen Bereich bis ca. 5,0 m zum Einsatz kommen oder durch Erdwärmesonden, die in der Regel vertikal bis zu einer Tiefe von etwa 100 m in den Boden reichen, genutzt werden. Über ein Wärmeträgermedium, welches in den Sondenkreisläufen zirkuliert, wird dem Boden Wärmeenergie entzogen und in den Kreislauf einer Wärmepumpe eingebracht. Durch die Nutzung einer Wärmepumpe kann bis zu 75% der benötigten Primärenergie eingespart werden.
Ein Vergleich der Kosten verschiedener Heizsysteme für ein Einfamilienhaus verdeutlicht die kurze Amortisationszeit einer Erdwärmeanlage gegenüber einer konventionellen Heizanlage.

Die Investitionskosten für eine Anlage mit Erdwärmesonden und Wärmepumpe betragen ca. 32.700 €, für eine konventionelle Anlage mit Ölbrenner ca. 24.200 €. Die jährlichen Betriebskosten betragen ca. 800 € (Wärmepunpe) und ca. 2.200 € (Ölbrenner).
In einer messtechnischen Dokumentation wurden die Vor- und Rücklauftemperaturen für eine Kollektorenanlage sowie eine Sondenanlage vergleichend untersucht. Bei den Kollektoren stellte sich hierbei eine Temperaturdifferenz des Primärkreislaufs von ca. ∆T =5,5°C und bei den Erdwärmesonden von ca. ∆T = 3,5°C ein. Die Außentempe-raturen lagen zwischen 0,5 und -3°C.

Der Unterschied in der Temperaturspanne kann auf den unterschiedlichen Primärkreislauf bei einer Erdwärmesonde gegenüber den Kollektoren zurückgeführt werden. Bei der Erdwärmesonde bedingen die direkt neben einander verlaufenden Rohrstränge des Vor- und Rücklaufs im oberen Sondenbereich quasi einen thermischen Kurzschluss. Hier sind durchaus noch technische Optimierungen zur effektivern Verwertung der Erdwärme denkbar.