Effizientere Nutzung der oberflächennahen Geothermie

Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Neben der Funktion als Wärmequelle im Winter und als Kühlpotenzial im Sommer kann oberflächennahe Geothermie durch künstliche Regeneration – also einen zusätzlichen regenerativen Wärmeeintrag – gezielt beladen werden. Dies ermöglicht den Aufbau eines idealen saisonalen thermischen Speichers.
■ Pilotprojekte zeigen, dass die gezielte künstliche Regeneration den Wärmeentzug in den Wintermonaten vollständig ausgleichen und Leistungssteigerungen von bis zu 100 % erschließen kann.
■ Die Integration der oberflächennahen Geothermie in intelligente Energiesysteme ermöglicht – unter Berücksichtigung von Strommarktpreisen, Gebäudelastprofilen und Wetterprognosen – vorausschauende Wärmepumpen- und Regenerationsstrategien für einen netzdienlichen und kostenoptimierten Betrieb.

Fraunhofer IEG / Frank Wiedemeier

Oberflächennahe geothermische Wärmepumpensysteme haben sich als etablierte, effiziente und nachhaltige Technologie für die Beheizung und Kühlung von Gebäuden und Quartieren bewährt. In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung stellen jedoch die Erschließungskosten des Untergrunds eine Herausforderung für Bauherren, Planer und Projektentwickler dar. Zwar liefern Erdwärmesonden langfristig zuverlässig und nachhaltig regenerative Energie, jedoch werden die langfristigen Vorteile in klassischen Wirtschaftlichkeitsmodellen häufig nicht berücksichtigt. Die künstliche Regeneration des Untergrunds, die mit einer erheblichen Leistungssteigerung des Systems einhergeht, bietet eine Lösung für dieses Problem.

Die Transformation des Gebäudewärmesektors muss in den meisten Fällen in urbanen Bestandsquartieren erfolgen. Diese zeichnen sich durch begrenzten Raum, hohe Wärmebedarfe und gleichzeitig geringe Kühlanforderungen aus [3]. Klassische Erdwärmesondenfelder benötigen für ihre Installation große Freiflächen und stoßen deshalb schnell an Grenzen. Dennoch bieten sie durch ihre modulare Skalierbarkeit, hohe Jahresarbeitszahlen und die Möglichkeit zur saisonalen Energiespeicherung grundsätzlich eine attraktive Option für die regenerative Wärme- und Kälteversorgung.

Die Weiterentwicklung der oberflächennahen geothermischen Systeme durch den gezielten Wärmeeintrag in den Sommermonaten – beispielsweise durch die Nutzung der Wärmequellen Außenluft, solare Einstrahlung oder Oberflächengewässer – ist deshalb ein wichtiger Schritt, um den Flächenbedarf zu minimieren und die Leistungsfähigkeit der Systeme deutlich zu steigern. Diese sogenannte künstliche Regeneration erweitert das Nutzungsspektrum der oberflächennahen Geothermie erheblich und steigert die Effizienz des Gesamtsystems.

Systembeschreibung

Klassische Erdwärmesondenfelder bestehen aus vertikalen Sonden, die typischerweise eine Teufe von 100 bis 250 m aufweisen. Dabei kommen hochwärmeleitfähige Hinterfüllmaterialien zum Einsatz, um die Wärmeübertragung zwischen den Sondenrohren und dem Erdreich zu maximieren. Die Erdwärmesonden werden hydraulisch parallel oder als Feldsystem an zentrale Verteilerschächte angeschlossen. Eine gut abgestimmte hydraulische Einbindung in das Gebäudesystem ist für niedrige Druckverluste und einen effizienten Wärmepumpenbetrieb unerlässlich.

Fraunhofer IEG

Im Betrieb dienen die Felder sowohl zur Beheizung als auch zur passiven oder aktiven Kühlung von Gebäuden. Zur Kühlung entzieht das System dem Gebäude Wärme und führt diese in das Erdreich ab – ein Prozess, der zu einer gewissen Regeneration des Untergrundes führt.

Darüber hinaus können externe regenerative Wärmequellen wie Solarthermie, Außenluft oder Oberflächengewässer den Speicher gezielt beladen. Sie ermöglichen eine zusätzliche Beladung des Untergrunds über die sommerliche Gebäudekühlung hinaus. Eine oberflächennahe Geothermie-Anlage kann diese Wärmequellen trotz starker saisonaler Schwankungen problemlos einbinden. Am Ende entsteht ein unterirdischer Energiespeicher, dessen Ladezustand aktiv gesteuert werden kann, siehe Bild 2.

Quellen der künstlichen Regeneration

Für die künstliche Regeneration von Erdwärmesonden stehen mehrere regenerative Wärmequellen zur Verfügung. Dabei sind die Anforderungen an die bereitzustellenden Temperaturen gering: Temperaturen im Bereich von 20 bis 25 °C sind in der Regel ausreichend. Zu den wichtigsten Quellen gehören Außenluft (Freikühler), solare Einstrahlung (Flachkollektoren, PVT-Module, Schwimmbadabsorber) und Oberflächengewässer (Flüsse, Seen).

Die Verfügbarkeit und das Lastprofil dieser Quellen unterscheiden sich jedoch deutlich, was wesentliche Auswirkungen auf die Dimensionierung, Leistungsfähigkeit und Systemintegration hat. Außenluft ist nahezu überall verfügbar und lässt sich theoretisch unbegrenzt skalieren. Die Temperaturen schwanken jedoch stark je nach Jahreszeit und Tageszeit, sodass Temperaturen über 20 °C nur an wenigen Tagen im Jahr zur Verfügung stehen. Das Lastprofil zeigt daher eine geringe Anzahl an Volllaststunden und starke Lastspitzen, siehe Bild 3.

Niklas Denter [1]

Solare Einstrahlung ist ebenfalls flächendeckend verfügbar und lässt sich bei ausreichender Flächenverfügbarkeit skalieren. Die Temperaturen können in Abhängigkeit von der Erschließungstechnik (Kollektorsystem, Volumenstrom) angepasst werden. Die Schwankungen in der solaren Leistung sind jedoch hoch, was zu einem Lastprofil mit einer mittleren Anzahl an Volllaststunden und extremen Lastspitzen führt, siehe Bild 4.

Oberflächengewässer sind nur lokal verfügbar und ihre Leistungsfähigkeit hängt von Volumen oder Durchfluss des jeweiligen Gewässers ab. Die Temperaturen liegen moderat zwischen 4 und 20 °C, wodurch das Regenerationspotenzial durch die Temperatur deutlich begrenzt wird. Tageszeitliche Schwankungen sind jedoch gering, was das Lastprofil durch geringere Lastspitzen und mittlere Volllaststunden kennzeichnet.

Grenzen der künstlichen Regeneration

Die Nutzung des Untergrunds als Wärmequelle und Wärmesenke unterliegt gesetzlichen Rahmenbedingungen, die vor allem dem Schutz des Grundwassers dienen. Die maximal und minimal zulässigen Temperaturen des Wärmeträgermediums in den Erdwärmesonden sind begrenzt und in länderspezifischen Richtlinien oder der VDI-Richtlinie 4640 Blatt 2 festgelegt. Üblicherweise liegt die minimale Temperatur bei −3 °C und die maximale Temperatur bei etwa 30 °C.

Die Beladung des Untergrundes ist durch die maximal zulässige Temperatur begrenzt. Regenerationsquellen mit hohen Spitzenlasten können schneller zu einer Überschreitung dieser Grenze führen und müssen entsprechend geregelt oder begrenzt werden. Regelbare Quellen oder Quellen mit geringen Spitzenlasten bieten ein höheres Regenerationspotenzial, weil sie die genehmigungsrechtlichen Grenztemperaturen weniger schnell überschreiten.

Niklas Denter [1]

Vorteile für die TGA

Die Kombination von Erdwärmesondenfeldern mit Wärmepumpen bietet einen hohen Grad an Versorgungssicherheit, hohe Effizienz und Flexibilität. Die thermische Regeneration des Untergrundes vermeidet nicht nur eine Übernutzung des Systems, sondern steigert auch die Leistungsfähigkeit deutlich. Der Untergrund dient so als saisonalen Speicher: Im Sommer eingetragene Wärme ist im Winter nahezu verlustfrei verfügbar.

Die künstliche Beladung erweitert das Anwendungsspektrum oberflächennaher Geothermie erheblich: Auch bei geringen Kühlbedarfen oder asymmetrischen Lastprofilen kann der Speicher gezielt konditioniert werden. Dies eröffnet insbesondere in Quartieren mit gemischter Nutzung (z. B. Wohnen, Büro, Bildungseinrichtungen) neue Möglichkeiten für Lastverschiebung und Sektorenkopplung. Die Nutzung lokal verfügbarer Umweltwärmequellen reduziert zudem den Bedarf an konventionellen Heizsystemen sowie ihren Brennstoffen und senkt die Betriebskosten.

Monitoring und Steuerung

Moderne Erdwärmesondenfelder verfügen über umfassende Messtechnik zur Temperatur- und Energiemengenerfassung. Glasfasersensoren zur Temperaturmessung, Wärmemengenzähler und Monitoring-Systeme ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Speicherbeladung und Regeneration. Dadurch lässt sich die thermische Balance im Untergrund langfristig gewährleisten und die Systemleistung optimieren.

Pilotprojekte zeigen, dass die gezielte künstliche Regeneration den Wärmeentzug in den Wintermonaten vollständig ausgleichen und Leistungssteigerungen von bis zu 100 % ermöglichen kann. Entscheidend für den Erfolg ist dabei die intelligente Steuerung von Wärmequellen, Wärmesenken und Betriebsstrategien.

Fraunhofer IEG / Sascha Kreklau

Ein vielversprechender Entwicklungspfad liegt in der Integration oberflächennaher Geothermie in intelligente Energiesysteme. Model Predictive Control (MPC) steuert Wärmepumpen- und Regenerationsstrategien vorausschauend – unter Berücksichtigung von Strommarktpreisen, Gebäudelastprofilen und Wetterprognosen. Diese dynamische Steuerung ermöglicht es, den Speicher optimal zu nutzen, sowohl zur Reduktion von Netzspitzen als auch zur wirtschaftlichen Optimierung der Energieversorgung in Quartieren.

Ausblick

Erdwärmesondenfelder sind heute nicht mehr nur punktuelle Wärmequellen, sondern spielen eine zentrale Rolle in modernen Energieinfrastrukturen. Die künstliche Regeneration macht den Untergrund zu einem langfristig nutzbaren, saisonalen Speicher, der Wärme aus verschiedenen Quellen aufnehmen und bedarfsgerecht zur Verfügung stellen kann. Oberflächennahe Geothermie stellt damit ein echtes Multitalent im Wärmewende-Mix dar: effizient, flächenschonend, flexibel und klimaneutral.

Die größten Herausforderungen bestehen derzeit in der Systemintegration und der Akzeptanz dieser Technologie: Planer und Betreiber müssen lernen, geothermische Systeme nicht nur als Wärmequelle, sondern auch als steuerbaren Speicher zu verstehen und zu nutzen. Mit zunehmender Digitalisierung, smarter Steuerung und interdisziplinärer Planung entstehen jedoch neue Möglichkeiten, diese Potenziale flächendeckend zu erschließen.

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Timm Eicker

Leitung Oberflächennahe Geothermie der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien IEG in Bochum, www.ieg.fraunhofer.de

Fraunhofer IEG / Sascha Kreklau