Geothermie: Effizient heizen und kühlen mit Erdwärme als erneuerbarer Energie.

Die Klimaschutzpläne der Europäischen Union wie auch Deutschlands geben klare Ziele vor, fossile Brennstoffe durch regenerative Energien zu ersetzen. Geothermie erfüllt als erneuerbare Energie diese Vorgaben und sorgt schon heute für warme Wohn- und Büroräume. Die Klimaneutralität ist aber bei Weitem nicht der einzige Vorteil der Energie aus Erdwärme. Geothermie ist:

• nachhaltig, weil sie keine CO₂-Emissionen verursacht und zudem unbegrenzt verfügbar ist.
• wirtschaftlich, weil die Betriebskosten nach den initialen Investitionen vergleichsweise gering sind.
• effizient, weil sie sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet – insbesondere bei der direkten Wärmegewinnung.
• vielseitig, weil sie nicht nur für die Wärmeversorgung, sondern auch für die Kühlung und die Stromerzeugung einsetzbar ist.

Einer der größten Vorteile der Geothermie ist aber ihre Unabhängigkeit von saisonalen Witterungseinflüssen. Während Luft-Wärmepumpen mit schwankenden und im Winter auch tieferen Temperaturen arbeiten müssen, liefern Geothermiesonden eine konstante Vorlauftemperatur von circa 10 Grad Celsius. Das erhöht die Effizienz der nachgeschalteten Wärmepumpe deutlich gegenüber der im Winter oft viel kälteren Außenluft. Auch die Stromerzeugung aus Geothermiekraftwerken profitiert von den konstanten Temperaturen.

Während Windenergieanlagen oder Photovoltaikanlagen auf Wind beziehungsweise Sonne angewiesen sind, um Energie zu erzeugen, liefert Geothermie das ganze Jahr über nahezu ununterbrochen umweltfreundliche Wärme oder Strom. Das macht die Stromerzeugung aus Geothermiekraftwerken sogar grundlastfähig – ein wichtiger Aspekt für die Verbindung von Versorgungssicherheit mit klimaneutraler Energiegewinnung. Geothermie kann also entweder direkt als Wärmeenergie genutzt werden, um mit Wärmepumpen zu heizen. Oder aber sie wird indirekt genutzt, indem Geothermiekraftwerke die Wärme aus dem tieferen Erdreich in Strom umwandeln, der den Verbraucherinnen und Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird.

Das Potenzial von Geothermie für die Energiewende ist also riesig. Bleibt die Frage: Wie wird Energie aus Erdwärme nutzbar gemacht? Vereinfacht gesagt, braucht es dafür Bohrungen in verschiedene Tiefen der Erdkruste. Denn: Rund 100 Meter unter der Erdoberfläche herrscht eine konstante Temperatur von etwa zehn Grad Celsius. Mit jeden weiteren 100 Metern steigt die Temperatur im Erdreich im Mittel um drei Grad Celsius an.

Die Erdwärme entsteht dabei auf zwei Arten: Zum einen speichert der Boden die von der Sonne eingestrahlte Wärmeenergie. Zum anderen nutzt Geothermie den nach oben gerichteten, terrestrischen Wärmestrom. Um diese Erdwärme energetisch zu nutzen, haben sich zwei verschiedene Geothermie-Arten herausentwickelt: die oberflächennahe Geothermie und die tiefe Geothermie.

Oberflächennahe Geothermie: für einzelne Gebäude und kleine Quartiere

Für diese Art der Geothermie sind nicht allzu tiefe Bohrungen von bis zu 400 Metern nötig. Der große Vorteil gegenüber tieferen Bohrungen ist der geringere Aufwand. Dafür ist die oberflächennahe Geothermie aber auch weniger ertragreich, denn die Temperaturen liegen in diesem Bereich „bloß“ um die 25 Grad Celsius. Zum Glück gibt es aber Erdwärmepumpen: Mithilfe eines Rohrsystems wird Wasser in die Tiefe gepumpt, in der es die Umgebungstemperatur annimmt, speichert und wieder nach oben transportiert. Dort hilft die Wärmepumpe dabei, die Erdwärme zu potenzieren und als Heizenergie abzugeben – meist für einzelne Bürogebäude, Wohnhäuser und kleinere Quartiere.

Tiefe Geothermie: für Wärmenetze und ganze Stadtviertel

Bei der zweiten Art der Geothermie sind die Bohrungen wesentlich tiefer – dorthin, wo Temperaturen von teilweise mehr als 100 Grad Celsius herrschen. Es gibt verschiedene Verfahren, um die Erdwärme aus bis zu fünf Kilometern Tiefe nutzbar zu machen. Eine davon ist die hydrothermale Geothermie, bei der heißes Thermalwasser aus unterirdischen Reservoirs gefördert wird. Petrothermale Systeme hingegen machen sich künstlich erzeugte Risse in heißem Tiefengestein zunutze, in denen zugeführtes Wasser erhitzt wird. Dass die tiefe Geothermie wesentlich aufwendiger ist, liegt auf der Hand. Dafür lässt sich die gewonnene Wärme direkt für Heizzwecke oder alternativ auch zur Stromerzeugung nutzen – oft für ganze Wärmenetze oder größere Stadtviertel.

Rein intuitiv würde man geothermische Systeme aufgrund der erforderlichen Bohrungen wohl eher auf dem Land verorten. Doch auch in Städten wie Berlin wird immer mehr Energie aus Erdwärme genutzt. Die Installation einer Erdwärmeheizung für Gebäude benötigt nicht immer große Flächen und hat sich im urbanen Raum bereits als nachhaltige Technologie bewiesen. So ist beispielsweise die Temperatur des Erdreichs im Ballungsraum Berlin aufgrund der engen Besiedlung und erster Auswirkungen der Klimaerwärmung angestiegen. Messungen in der Hauptstadt haben ergeben, dass die Temperatur des Berliner Untergrunds im Durchschnitt um vier Grad Celsius über den Werten des dünner besiedelten Umlands liegen. Großes Potenzial für Geothermie also!

Geothermie in Städten ist auch dringend nötig, denn bisher stammen Raumwärme und Warmwasserversorgung von Gebäuden, die vor Ort mehr als die Hälfte der gesamten Energieversorgung ausmachen, laut Berliner Senat noch zu mehr als 90 Prozent aus fossilen Energien. In der Hauptstadt wird dabei durch die örtlichen Gegebenheiten fast ausschließlich auf die oberflächennahe Geothermie gesetzt und bis zu einer Tiefe von etwa 100 Metern gebohrt. An einem der Vorzeigeprojekte in diesem Bereich im Bezirk Reinickendorf hat auch GASAG Solution Plus entscheidend mitgewirkt.

Am besten lassen sich die Vorteile von Geothermie ausspielen, wenn man sie mit anderen erneuerbaren Energien kombiniert. Genau diesen Plan verfolgte GASAG Solution Plus in Zusammenarbeit mit dem Immobilien-Projektentwickler urban space für das Projekt Antonia in Berlin-Reinickendorf. Mit Erfolg: Der Neubau mit 25 Wohnungen und zwei Gewerbeeinheiten auf 2.250 m² wird heute vollständig CO₂-neutral mit Wärme und Kälte versorgt. Dafür wurden 14 Erdsonden mit einer Tiefe von 98 Metern installiert, die in Kombination mit zwei Sole-Wasser-Wärmepumpen die benötigte Energie für Fußbodenheizung und Warmwasser bereitstellen. Der für den Betrieb der Wärmepumpen erforderliche Strom stammt aus Photovoltaikanlagen auf dem Dach des Gebäudes. Im Sommer funktioniert das System genau umgekehrt und ermöglicht die Kühlung der Räume über die Fußbodenheizung, ohne dass dafür eine stromintensive Klimaanlage nötig wäre.

Um das Gebäude zu heizen, wird dem Boden Wärme entzogen. Über kurz oder lang könnte das dazu führen, dass er auskühlt. Doch auch für diese Herausforderung liefert das nachhaltige Energiekonzept von GASAG Solution Plus eine Lösung: Bei den Stromkollektoren auf dem Dach des Neubaus Antonia handelt es sich um PVT-Anlagen, deren stromproduzierende Zellen zusätzlich mit einer Flüssigkeit gekühlt werden, um noch effizienter zu arbeiten. Dabei entsteht Wärme, die zurück in den Boden geleitet wird, um das Auskühlen des Untergrunds zu verhindern. Die bereits erwärmte Flüssigkeit wird gleichzeitig auch den Wärmepumpen zugeführt, die dadurch weniger Energie für die Wärmeerzeugung aufwenden müssen.

Dieser effiziente Einsatz von Geothermie in Kombination mit Sonnenkraft führt zu kalkulierbaren Energie- und dauerhaft niedrigen Betriebskosten für die Bewohnerinnen und Bewohner. Außerdem werden im Vergleich zu einer fossilen Versorgungslösung nur zehn bis 20 Prozent der Energiemenge für das Gebäude benötigt, was den energieeffizienten und förderfähigen KfW-55-Standard erfüllt.