Die verschiedenen Systemmöglichkeiten

Erd­wärmesonden

Einzel-Erd­wärme­sonden­anlagen stellen zur Zeit die gängigste Nutzungs­art untiefer Geo­thermie in der Schweiz dar. Die Erd­wärme­sonde (EWS), ein unter­irdischer Wärme­tauscher. Eine Wärme­sonde ermöglicht die Nutzung von Erd­wärme in geringen Tiefen von etwa 50 bis 400 m.

Einmal in eine Bohrung eingebracht, bildet die EWS einen geschlossenen Kreis­lauf und bildet den Wärme­­tauscher mit dem Untergrund. Sie ermöglicht die Ent­nahme erneuer barer Energie aus dem Boden, der sich zunächst leicht abkühlt und sich nach einigen Jahren auf ein relativ konstantes Gleich­gewicht einstellt. Die Wärmeträgerflüssigkeit, bestehend aus Wasser und Frost­schutz­mittel, transportiert die Energie, indem sie durch U-Rohre zirkuliert. Die Länge einer EWS ist von den Boden­eigenschaften sowie von der erforderlichen Heiz­leistung abhängig.

Heizen und Kühlen

Auch zum Kühlen im Sommer kann eine Erd­wärmesonde eingesetzt werden, wenn eine Tiefe von etwa 200 m nicht überschritten wird. Dies bietet den doppelten Vorteil einer kombi­nierten Nutzung von Heizen im Winter und Kühlen im Sommer, womit ein Gebäude nach Bedarf klima­tisiert werden kann. In der Praxis wird die über­schüssige Energie, die bei der Kühlung der Gebäude im Sommer anfällt, in den Boden gespeichert.

Ein paar Zahlen

In der Schweiz wurden 2005 mehr als 1'100 GWh geo­thermischer Energie erzeugt, ein Wert, der noch weiter ansteigt. Mehr als 50 % davon stammen aus Erd­wärme­sonde­nanlagen. 2006 wurden nahezu 1'000'000 Laufmeter Erd­wärm­esonden abgeteuft.

Erd­wärmesondenfelder

Bei grossen Gebäuden können mehrere Erd­wärme­sonden - sogar bis zu einigen Dutzend - auf einem Gelände eingebracht werden, um aus dem Unter­grund Wärme und Kälte für das Heiz- bzw. Kühlsystem auf sehr effektive Weise zu liefern. Die gleich­zeitige Nutzung mehrerer Erd­wärme­sonden wird als ein Erd­wärme­sonden­feld bezeichnet.

Ein kombiniertes System zum Heizen und Kühlen

Je tiefer man in den Unter­grund vordringt, desto höher ist die Tempe­ratur. Unterhalb von 20 m Tiefe steigt die Temperatur im Mittel­land relativ gleich­mässig um etwa 3° C pro 100 m. Die in der Schweiz sehr zahlreich installierten Erd­wärme­sonden (EWS)-Anlagen sind mehrheitlich von folgendem Typ: eine 150 m tiefe Bohrung und eine Wärme­pumpe vers­orgen ein Ein­familien­haus mit der benötigten Wärme­energie. Wird nun eine Serie von Erd­wärme­sonden zu­sammen­geschlossen oder wird tiefer gebohrt, so kann der Wärme­tauscher auf ein wesentlich grösseres Poten­zial zugreifen, was die Wärme­versorgung von ganzen Häusergruppen oder von grossen Gebäuden wie Mehr­familien­häuser, Industrie- und Verwaltungs­gebäude, Hotels, Mehr­zweck­gebäude, usw. erlaubt. Seit einigen Jahren werden Erd­wärme­sonden­felder bei Heiz- oder Kühl­systemen in Industrie- und Verwaltungs­gebäuden eingesetzt. Eine Serie Erd­wärme­sonden (4 bis 80) unter­schiedlicher Tiefe (30 bis 350 m) werden unter dem zu ver­sorgenden Gebäude oder unmittelbar daneben erstellt. Dabei werden die Leitungen der einzelnen Sonden bei einer oder mehreren Wärme­pumpen zusammengeführt. Wird die Anlage auch zur Kühlung im Sommer verwendet, so dürfen die Bohrungen höchstens 250 m tief sein, um eine zu hohe Unter­grund­temperatur zu vermeiden. Die Wirkungs­weise der Anlage basiert auf einem Jahres­zyklus, bei dem während der Heiz­periode dem Unter­grund Wärme (Kälte­eintrag in den Unter­grund) und während der Kühl­periode Kälte (Wärmeeintrag) entzogen wird. Ein zusätzlich installierter Heiz­kessel wird dabei nur während der Zwischen­perioden und bei Reparatur­arbeiten gebraucht.

Geostrukturen

Bei Gebäuden, die Fundations­pfähle benötigen, ist es möglich, die Pfähle mit Wärme­tauschern auszustatten. Diese werden dadurch zu energetischen Geo­strukturen und ermöglichen eine Versorgung mit Wärme im Winter und Kälte im Sommer.

Wärme und Kälte unter dem Gebäude

Geostrukturen sind Konstruk­tionen im Boden oder in Kontakt mit ihm. Haupt­sächlich sind es Pfähle, Wände und Bodenplatten, die benötigt werden, um eine ausreichende Trag­fähigkeit und Stabilität des Unter­grundes zu erreichen. Geo­strukturen sind meistens aus Beton, mit oder ohne Armierung, gefertigt. Die Wärme­leitfähigkeit und die Speicher­kapa­zität des Betons machen aus ihm ein ideales Material für die Absorption von Wärme. Zudem ist die Boden­temperatur in einigen Metern Tiefe (15-20 m) konstant (9 –11° C im hiesigen Klima). Dieses Temperatur­niveau kann im Sommer zum Kühlen und im Winter zum Heizen verwendet werden. Die zur Abstützung und Gebäude­gründung benötigten Geo­strukturen jeder Grössen­ordnung lassen sich mit Wärme­tauschern ausrüsten. Die mit dem Unter­grund in Kontakt stehenden Beton­pfähle und -wände werden dabei mit Kunst­stoffrohren versehen, um Wärme oder Kälte mit dem Unter­grund auszutauschen. Diese Rohre werden gebündelt einer oder mehreren Wärme­pumpen zugeführt. Die Wirkungs­weise der Anlage basiert auf einem Jahres­zyklus, bei dem während der Heiz­periode dem Unter­grund Wärme (Kälteeintrag in den Untergrund) und während der Kühlperiode Kälte (Wärme­eintrag in den Untergrund) entzogen wird. Die installierte Wärme­leistung bewegt sich zwischen einigen kW bis gegen 1'000 kW. Die Vorteile einer solchen Anlage äussern sich in den reduzierten Betriebs­kosten aufgrund des Wegfalls von fossilen Brenn­stoffen (ca. 80%) und in einer Verminderung der CO2-Emission (45% bis 100%).

Energie aus dem Grundwasser

Insbesondere in Gebieten, in denen der Grundwasser­spiegel nahe der Erd­ober­fläche liegt, wird eine Nutzung der darin enthaltenen Energie interessant - gerade, weil dort die Temperatur im Laufe eines Jahres konstant bleibt.

Grundwasser: kaum genutzter Wärmepool. Die grossen Grundwasser­vorkommen der Schweiz befinden sich vorwiegend im Vorland der Alpen, also im Mittel­land und den inneralpinen Tälern, wie z.B. dem Rhône- oder dem Vorder­rheintal. Diese Täler sind grösstenteils mit gut durchlässigen Schottern verfüllt, in denen sich das von den Höhenlagen abfliessende Meteor­wasser ansammelt und entlang der grossen Fluss­systeme entwässert. Die Schotter­füllungen erreichen Mächtigkeiten von bis zu 60 m. Sie sind in ihren tieferen Teilen grundwasser­gesättigt. Nicht selten können so Grundwasse­rmächtigkeiten von 30 bis 40 m erreicht werden. Die saisonal nur wenig variierenden Grundwasser­temperaturen liegen im Mittel­land zwischen 10 und 12°C, in den alpinen Tälern rund 2°C tiefer. Dieser konstante Wärmepool eignet sich somit hervorragend für die Beheizung von Gebäuden. Es ist jedoch zu beachten, dass das Grundwasser durch die Anlage nicht verschmutzt wird und sich die natürliche saisonale Grundwasser­temperatur unter Einbezug sämtlicher im betrachteten Grundwasser­gebiet installierten Anlagen nicht mehr als 3°C verändert. Für die allenfalls notwendigen Bewilligungen zur Grundwasser- Wärmenutzung sind die jeweiligen kantonalen Behörden zuständig.

Prinzip der Grundwasserwärmenutzung

Das in der Tiefe liegende Grund­wasser wird durch eine Bohrung erschlossen und mittels einer Unterwasser­pumpe zur Heizanlage befördert. Hier erfolgt mit Hilfe einer Wärme­pumpe ein Wärme­entzug, wodurch die benötigten Vorlauf­temperaturen des Heiz­systems erreicht werden können. Das abgekühlte Grund­wasser wird in der Folge über einen Rückgabe­brunnen in den Grundwasser­körper zurückgegeben. Dort wo die durchlässigen Schotter schon unmittelbar unter der Oberfläche beginnen, kann der Rückgabe­brunnen als einfacher Bagger­schacht realisiert werden. Bei der Grundwasser­ent­nahme- und Rück­gabe­stelle muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die Ent­nahme­stelle im Anstrom- und die Rückgabestelle im Abstrom­bereich des Grund­wassers liegt, da sonst eine kontinuierliche Abkühlung des Grund­wassers erfolgen würde.

Tiefe Aquifere

Wenn Grundwasser in einer Tiefe von 1 bis 3 km vorhanden ist, kann es sich lohnen, die Wärme daraus direkt zu nutzen. Falls die Temperatur 100° C erreicht oder überschreitet, besteht sogar die Möglichkeit, Strom zu erzeugen! Die Erfassung und Nutzung tiefer Aquifere zur direkten Wärmegewinnung für städtische Fern­wärme­netze begann in Europa in den 70er Jahren, wobei in Frankreich der stärkste Auf­schwung dieser Geothermie­nutzung zu verzeichnen war. In den anderen die Schweiz umgebenden Ländern finden sich zahlreiche Anlagen in Deutschland, sowie ein paar in Österreich und Italien. In Regionen mit normalem geothermischen Gradienten, etwa 30 °C/km, wie es im Schweizer Mittelland der Fall ist, ist die Temperatur in den tiefen Aquifere etwa 40 °C in 1km Tiefe bis zu etwa 70 °C in 2 km Tiefe. Ist das Tiefen­wasser nur leicht mineralisiert (weniger als 2 g/l) und besteht die Möglich­keit, das nach dem Wärme­entzug abgekühlte Wasser in einen Vorfluter – Fluss oder See – oder einen Kanal abzuleiten, dann genügt eine einzige Förder­bohrung, eine sogenannte Singlette. Sollte das Tiefen­wasser aber einen Mineral­gehalt von über 2 g/l aufweisen, muss mit Hilfe einer zweiten Bohrung das abgekühlte Wasser zurück in den Untergrund verpresst werden (Dublette). Gefördert durch eine Bohr-Risiko­garantie des Bundes, wurden in den Jahren 1987 bis 1998 12 geothermische Tief­bohrungen in der Schweiz abgeteuft. Insgesamt gab es fünf Erfolge, einen Teil­erfolg und sechs Misserfolge im Sinne der Risiko­garantie – das heisst «trockene» Bohrungen oder zu geringe Wasserförderung. Eine Bohrung von den sechs Miss­erfolgen konnte dennoch einer geothermischen Nutzung zugeführt werden: die Bohrung in Weissbad (Appenzell) als «tiefe» Erd­wärme­sonde ausgebaut. Bei den erfolgreich verlaufenen Tief­bohrungen steht die energetisch sinnvolle Nutzung im Vordergrund. Bei der Thermal­wasser­versorgung für Heilbäder sollte zum Beispiel nach dem «Kaskaden­prinzip» vorgegangen werden. Nach Verwendung für den eigentlichen Badebetrieb sind (mit abnehmenden Tem­pe­ra­turen) auch die Kur­anlagen selbst und, in einem letzten Schritt, Treibhäuser zu beheizen, wie z.B. im aargauischen Schinznach Bad.

Stimulierte Geothermische Systeme

Ein wichtiger, zeitgemässer Einsatz­bereich der Geothermie liegt in der Produktion elektrischer Energie, auf der Basis von tiefliegenden Geothermie­quellen – 4 bis 6 km – in einer stabilen kontinentalen Umgebung.

Wärmeent­nahme aus dem Kristallin

In einigen Tausend Metern Tiefe sind Tempe­raturen vorhanden, die mit einem künstlich geschaffenen Wasser­kreis­lauf an die Erd­ober­fläche gebracht zur Strom- und Wärme­produktion genutzt werden können. In Mittel­europa erreicht man in vier bis sechs Kilometer Tiefe kristallines Gestein (Grund­gebirge), das Tem­pe­ra­turen um 200° C aufweist. Mit dem «Stimulierten Geothermischen System (SGS)» (Enhanced Geothermal System – EGS) kann die Energie genutzt werden, indem man mit Bohrungen in diese Gesteins­schicht vordringt, mit hohem Druck eine Klüftung erzeugt und anschliessend über eine zweite Bohrung eine Wasser­zirkulation in Gang setzt. An der Erd­ober­fläche wird die gewonnene Energie über Wärme­tauscher zur Strom­erzeugung und Wärme­produktion eingesetzt. Mit dieser Technologie wird es möglich sein, Strom als Band­energie zu erzeugen und kontinuierlich Wärme bereitzustellen.

Geologische Eignung findet sich vielerorts

Das grosse Interesse an der SGS-Technologie beruht zum einen auf der Tatsache, dass sie an den meisten Standorten mit kristallinem Gestein in höchstens 6 km Tiefe angewandt werden kann, und zum andern auf dem Vorzug einer CO2- freien Produktion von Strom aus erneuer­barer Energie, also nach­strömender Erd­wärme. Zahlreiche Regionen der Schweiz sind aus geo­logischer Sicht für solch eine Anlage geeignet. Für die Wirtschaftlich­keit einer SGS-Anlage ist jedoch aus heutiger Sicht neben der Strom­produktion auch der Verkauf der Überschusswärme wesentlich. Ein entsprechend grosser Wärme­abnehmer, wie z.B. ein Fernwärmenetz muss also in der Nähe vorhanden oder geplant sein. Mit dem auch als Hot-Fractured-Rock-Verfahren bezeichneten System setzt man zunächst das angebohrte Kristallin­gestein mit Wasser unter Druck und versucht damit, die vorhandenen Schwach­stellen und Haarrisse oder Klüfte aufzupressen. Weil das Gestein unter Spannung steht, erfolgt nun eine geringfügige Ver­schiebung der unregelmässigen Kluftflächen, so dass eine bleibende Öffnung resultiert. Mit dieser Stimu­lation ist es möglich, dass das Gestein wasser­durchlässig wird – ein Durch­lauf­erhitzer wurde geschaffen.