Forschung in NRW: Die Energie der Erde besser nutzen

18. Januar 2018 | Kira Crome

Geothermieforschung: An einem Versuchsstand untersuchen Professor Lutz Müller (r.) und Doktorand Jan-Henrik Kupfernagel (l.) die Qualität der Baustoffe, die zum Verfüllen der Bohrlöcher für Erdwärmesonden genutzt werden. © Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Mehr als die Hälfte der Heizenergie Deutschlands ließe sich aus Erdwärme gewinnen. Ihre oberflächennahe Nutzung ist für Hausbesitzer und Bauherren eine interessante Alternative zu fossil getriebenen Heizsystemen. Wissenschaftler der Hochschule Ostwestfalen Lippe wollen den Stand der Technik verbessern und die bei der Bohrung für die Erdwärmesonden eingesetzten Baustoffe optimieren.

Unter unseren Füßen verbirgt sich eine unerschöpfliche, jederzeit verfügbare natürliche Energiereserve: Erdwärme. Die vom Erdkern aufsteigende Hitze kann bereits in geringen Tiefen eingesammelt und zum Beheizen oder auch zum Kühlen von Gebäuden nutzbar gemacht werden. Hierzulande nimmt die Temperatur im Erdboden um drei Grad Celsius pro 100 Meter Tiefe zu. Selbst im Winter sind die Temperaturen sogar in oberflächennahen Bodenschichten vielerorts immer noch hoch genug, um im Zusammenspiel mit einer Wärmepumpe Häuser und Wohnungen mit geothermischer Energie zuverlässig zu versorgen. Erdwärme gilt als der heimliche Star unter den erneuerbaren Energien: Ihre Förderung braucht wenig Fläche, der Prozess ist unabhängig von Wind und Sonne, klimaschädliche Treibhausgase werden  eingespart. Für Neubauten, aber auch bei der Sanierung oder Modernisierung von Altbauten ist die Wärmeversorgung aus der Tiefe eine interessante Alternative zu konventionellen Heizungssystemen.

Derzeit sind in Deutschland über 300.000 oberflächennahe Geothermie-Anlagen in Betrieb und jedes Jahr kommen etwa 20.000 hinzu. Sie können mithilfe von Erdwärmesonden dem Erdreich Wärme aus bis zu 400 Metern Tiefe entziehen. Das Prinzip ist einfach: In senkrecht in das Erdreich abgeteufte Bohrungen werden Rohre, sogenannte Sonden, eingebracht. Durch das Rohrleitungssystem fließt eine Wärmeträgerflüssigkeit nach unten, die die Wärme in der Tiefe aufnimmt. Über einen Wärmetauscher im Gebäudekeller gelangt die hoch geförderte Wärme in den hausinternen Wärmepumpenkreislauf, in dem ihr Temperaturniveau angehoben wird. Die Wärme mit erhöhtem Temperaturniveau wird wiederum über einen Wärmetauscher an den Tertiärkreislauf weitergeleitet, der als Heizkreislauf die Wärme durch die Heizungs- und Warmwasserrohre im Haus verteilt. Je nach Größe der Anlage und Tiefe der Erdwärmesondenbohrungen können auf diese Weise nicht nur Privathaushalte, sondern auch große Nutzbauten wie Bürokomplexe beheizt werden.

2016 wurden rund 30 Prozent der Neubauten mit Wärmepumpen als alternatives Beheizungssystem ausgestattet und rund 10  Prozent davon nutzen als Wärmequelle oberflächennahe Erdwärme. „Das ist ein erster Erfolg“, sagt Lutz Müller, Professor am Lehrstuhl für Geotechnik und Geothermie der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Höxter. Das könnte aber noch deutlich mehr sein, ist der Ingenieurgeologe überzeugt. Die oberflächennahe Geothermie könnte 57 Prozent des Wärmebedarfs in NRW decken, schätzen Experten des Landesumweltamts in ihrer „Potenzialstudie Erneuerbare Energien NRW – Teil 4 – Geothermie“. Um die vergleichsweise junge Technologie aus dem Nischendasein zu holen, besteht weiterer Forschungsbedarf.

Müller und sein Team wollen in einem Verbundprojekt mit der Technischen Universität Darmstadt die für die Erdwärmenutzung verwendeten Baustoffe für den Einsatz in der Tiefe optimieren. „Wir leisten damit einen Beitrag zur umweltverträglichen Nutzung der oberflächennahen Geothermie“, sagt Forschungsmitarbeiter Jan-Henrik Kupfernagel. Zuletzt hatten die Umweltauswirkungen bei realisierten Projekten im baden-württembergischen Leonberg am Image der Technologie gekratzt. Wie für die Nutzung anderer erneuerbarer Energien gelten auch für Geothermie-Vorhaben strenge behördliche Auflagen und Richtlinien. Jede Erdwärmebohrung, die das Grundwasser erreicht, muss von der Unteren Wasserbehörde genehmigt und beim geologischen Landesamt gemeldet werden. Bohrvorhaben in über 100 Metern Tiefe sind in Nordrhein-Westfalen zudem bergrechtlich genehmigungspflichtig.

„Fokus unserer Forschungsarbeit in diesem Projekt ist der Grundwasserschutz“, erklärt Kupfernagel. „Wir widmen uns der Dichtigkeit und Langzeitbeständigkeit der Baustoffe, die bei der Verfüllung der Bohrlöcher rund um die Erdwärmesonden verwendet werden.“ Die Sonden und die in dem Rohrleitungssystem zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit müssen insbesondere zu Spitzenlastzeiten im Winter hohen thermischen Beanspruchungen standhalten. Manche Anlagensysteme nutzen ein Wasser-Glykol-Gemisch als Wärmeträgerflüssigkeit, das durch das Rohrleitungssystem fließt, um die Wärme in der Tiefe aufzunehmen. Das Frostschutzmittel soll Betriebssicherheit auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ermöglichen. „Die Verfüllbaustoffe, die zur Verpressung der Bohrlöcher verwendet werden, um die Sonden im Erdreich fest abzudichten, werden während des Anlagenbetriebs temporären Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt“, erklärt Kupfernagel. Deshalb müssen sie solchen Belastungen gegenüber besonders widerstandsfähig sein. Ansonsten drohen Gefügeschäden, die sich auf die Festigkeitseigenschaften und die Abdichtfunktion auswirken könnten.

Um eine Verunreinigung des Grundwassers zu verhindern, werden die Baustoffe im Zuge eines Baustoffprüfverfahrens auf ihre ausreichende Frost-Tau-Widerstandsfähigkeit getestet und für die Nutzung zugelassen. „Wir haben im Rahmen unserer Forschungsarbeit in den vergangenen Jahren schon verschiedene Baustoffe, die bereits für die Nutzung zugelassen waren, untersucht“, sagt Müller. Nicht alle hätten sich unter Laborbedingungen als frostbeständig erwiesen. „Sie bekamen Risse oder wurden porös.“

Um nicht nur die Baustoffe, sondern das gesamte System aus Bohrung, Sonde und Baustoff untersuchen zu können, ist in Höxter im Rahmen einer Promotion ein Prüfstand entstanden. Im neuen Forschungsprojekt soll der Versuchsstand weiterentwickelt werden. Im bisherigen Aufbau habe sich vor allem die Wasserdurchlässigkeit testen lassen, so die Geothermie-Forscher. Jetzt soll auch die Wärmeleitfähigkeit der Baustoff-Proben untersucht werden. Gefördert wird das Verbundprojekt mit insgesamt etwa 800.000 Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Für die künftige Forschungsarbeit planen die Wissenschaftler einen so genannten Technikumversuchsstand, der die Realität abbildet und das bisherige System zusätzlich um die Komponente des Bodens erweitert.

 

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