Wärmequelle Erde

Wo kommt die Erdwärme her?

Als Geothermie - oder Erdwärme - bezeichnet man die unterhalb der Erdoberfläche vorhandene Wärmeenergie. Diese Energie stammt aus unterschiedlichen Quellen: Der flüssige Kern unseres Planeten ist etwa 6000°C heiß, diese Energie ist ein Relikt aus der Entstehungsphase der Erde und stammt letztlich aus den unvorstellbaren Energiemengen, die bei der Entstehung unseres Sonnensystems gewirkt haben. Der natürliche radioaktive Zerfall von langlebigen radioaktiven Elementen im Erdmantel produziert ebenfalls Wärme in nach menschlichem Ermessen unerschöpflichen Mengen. 

Durch Wärmeleitung, aber auch durch zirkulierende Gase und Flüssigkeiten wird diese Wärme an die Oberfläche transportiert. Per Saldo strahlt die Erde Tag für Tag etwa das 2,5-fache des weltweiten Energiebedarfs der Menschen ungenutzt in den Weltraum ab. Hinzu kommt die Energie der Sonneneinstrahlung mit 165 W/m2, was weltweit etwa dem 5000-fachen des menschlichen Bedarfs entspricht. Ein Teil dieser Sonnenenergie trägt direkt oder indirekt durch versickerndes Oberflächenwasser ebenfalls zur Erwärmung der oberflächennahen Schichten bei: Bis zu einer Tiefe von ca. 15m schwanken die Temperaturen in unseren Breiten je nach der Jahreszeit, unterhalb von 15m herrschen unabhängig von der Jahreszeit konstante Temperaturen, die mit zunehmender Tiefe um ca. 3°C je 100m steigen.

Wie kann man die Erdwärme nutzen?

Erdwärmekollektoren arbeiten mit einem waagerechten, sehr oberflächennahem Rohrsystem, das unter der Erde ähnlich einer Fußbodenheizung in Schlangen verlegt ist. Dieses befindet sich unterhalb der Frostgrenze in einer Tiefe von rund 1,5 Metern unter einer Rasen- oder Erdbodenfläche. Die Fläche, die der Kollektor benötigt, hängt hauptsächlich von der Größe der zu beheizenden Fläche und der Regenwasserdurchlässigkeit des Bodens ab. 

In der Regel liegt sie beim Eineinhalbfachen der Heizfläche. Die Fläche über dem Kollektor darf nicht versiegelt, asphaltiert oder gar bebaut werden, damit der Boden sein Energiereservoir durch die Sonneneinstrahlung oder Regenwasser wieder auffüllen kann. Auch tiefwurzelnde Pflanzen, wie z.B. Bäume, sollten dort nicht gepflanzt werden, da sie das Rohrsystem beschädigen können. Anders als Erdwärmesonden sind Kollektoren nicht genehmigungs-, sondern lediglich anzeigepflichtig. Durch den geringeren Aufwand bei der Erschließung spart man bei Erdwärmekollektoren gegenüber einer Sonde in der Regel Kosten. Sie stellen damit eine gute Alternative dar, wenn Sonden nicht oder nur unter hohen Auflagen möglich sind.

Bei Erdwärmesonden zirkuliert eine frostsichere Flüssigkeit, die Sole, in einem geschlossenen Kreislauf durch ein Kunststoffrohr, nimmt die Energie des Untergrunds dabei auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Die entzogene Energie fließt dann aus der Umgebung nach und zwar über die Prozesse der Konvektion (Wärmetransport über das fließende Grundwasser) und Konduktion (Wärmetransport vom Wärmeren zum Kälteren in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins). 

Da ab einer Tiefe von 10 Metern die Temperatur das ganze Jahr über nahezu konstant bei rund 10°C und damit von saisonalen Schwankungen unabhängig ist, ist die Erdwärmesonde insbesondere im Winter bei tiefen Temperaturen sehr effektiv und gut für den monovalenten Betrieb (ohne Heizstab) geeignet. Die notwendige Länge der Sonde und damit die Tiefe der Bohrung hängt vom Wärmebedarf des Gebäudes und der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes ab. Bei einem durchschnittlichen neuen Einfamilienhaus liegt sie bei einer Größenordnung von rund 100 Metern. Im Sommer eignen sich Erdwärmesonden hervorragend für die passive Kühlung.