Oberflächennahe Geothermie – Schlüsseltechnologie für die Wärmewende

Bildquelle: geoENERGIE Konzept GmbH

Nutzung oberflächennaher Geothermie mittels Bohrung und Installation von Erdwärmesonden, Bohrplatz inkl. Bohrgerät und Zusatzausstattung

Die Energiewende ist längst nicht mehr nur eine Stromwende – die Wärmewende ist ebenso entscheidend. Rund 50 % des Energieverbrauchs in Deutschland entfallen auf die Bereitstellung von Wärme. Hier bieten oberflächennahe geothermische Systeme eine nachhaltige, effiziente und nahezu überall verfügbare Lösung. Oberflächennahe Geothermie nutzt die im Untergrund gespeicherte Wärme bis etwa 400 m Tiefe und Temperaturen von 5 bis 25 °C für Heiz- und Kühlanwendungen. Oberflächennahe Geothermie eignet sich dabei zur thermischen Versorgung vom Einfamilienhaus, von Büro- und Verwaltungsgebäuden, Industrie- und Gewerbeeinheiten bis zu großen Wärmenetzen.

Grundlagen und Funktionsweise

Oberflächennahe Geothermie basiert auf dem Prinzip, dass die Temperatur im Boden relativ konstant bleibt und mit zunehmender Tiefe leicht ansteigt (ca. 3 Kelvin pro 100 m). Diese Wärme wird über Erdwärmesonden, Flächenkollektoren oder Grundwasserbrunnen erschlossen.

  • Geschlossene Systeme (Sonden, Kollektoren): Eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert in Kunststoffrohren und nimmt Wärme aus dem Erdreich auf.
  • Offene Systeme (Brunnen): Grundwasser wird gefördert, Wärme entzogen und anschließend zurückgeführt.

Die Wärme wird über eine Wärmepumpe auf das benötigte Temperaturniveau für die Wärmeversorgung angehoben. Im Sommer kann das System auch zur Kühlung genutzt werden („Natural Cooling“).

Bildquelle: geoENERGIE Konzept GmbH

Absprachen am Bohrgerät für die Herstellung einer Erdwärmesonde

Technische Umsetzung

Die häufigste Lösung in Deutschland sind Erdwärmesonden mit Tiefen zwischen 50 und 200 Metern. In Einzelfällen kann jedoch auch bis 400 m Tiefe gebohrt werden. Für größere Projekte werden Sondenfelder angelegt. Für die Bestimmung der standortspezifischen, geologischen Randbedingungen wird dabei im Vorfeld eine Pilotbohrung errichtet und an dieser geothermische Testarbeiten (Thermal-Response-Test) durchgeführt. Somit lässt sich eine optimierte Dimensionierung des Sondenfeldes ermitteln. Moderne Systeme integrieren digitale Monitoring- und Steuerungstechnik, um die Effizienz während des Betriebs der Anlagen zu prüfen. 

Innovationen wie thermisch aktivierte Bauteile oder Pfahlgründungen erweitern die Einsatzmöglichkeiten der oberflächennahen Geothermie. Auch die Kombination mit Photovoltaik oder Solarthermie im Rahmen der Sektorkopplung gewinnt an Bedeutung.

Vorteile und Potenziale

  • Ganzjährige Verfügbarkeit: Unabhängig von Wetter und Tageszeit.
  • Hohe Effizienz: Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 4 und mehr sind üblich.
  • Dekarbonisierung: Geothermie kann bis zu 75 % des Wärmebedarfs in Deutschland decken – das entspricht rund 600 TWh pro Jahr.
  • Breite Anwendung: Von Einfamilienhäusern über Quartierslösungen bis hin zu Industrieanlagen und Wärmenetzen.
  • Kombinierte Wärme- und Kälteversorgung: Ideal für Bürogebäude und Gewerbe. 

Herausforderungen

Trotz der Vorteile gibt es Hemmnisse:

  • Genehmigungsverfahren sind oft komplex und uneinheitlich.
  • Investitionskosten sind höher als bei konventionellen Heizsystemen, obwohl sich diese über die Lebensdauer amortisieren.
  • Fachkräftemangel und begrenzte Bohrkapazitäten bremsen den Ausbau.
  • Standortabhängigkeit: Hydrogeologische Bedingungen und Wasserschutzgebiete müssen berücksichtigt werden. 

Zukunftsperspektiven

Die Wärmewende und das neue Wärmeplanungsgesetz geben der Geothermie Rückenwind. Trends sind:

  • Quartierslösungen und kalte Nahwärmenetze.
  • Robotisierte Bohrverfahren zur Kostensenkung.
  • Multiquellensysteme für maximale Effizienz.
  • Digitale Planung und Monitoring für optimierten Betrieb.

Mit einer Verzehnfachung der Installationen bis 2045 könnte Deutschland seine Klimaziele erreichen.

Bildquelle: Fraunhofer IEG

Einteilung der Geothermie in Oberflächennahe, und Tiefengeothermie. Bei der oberflächennahen Geothermie ist es aufgrund des Temperaturniveaus im Untergrund erforderlich, obertägig eine Wärmepumpe zu installieren, welche die Temperatur zur Wärme- bzw. Trinkwarmwasserbereitstellung anhebt. Bei der Tiefengeothermie kann oftmals eine direkte Nutzung der Wärmequelle erfolgen.

Fazit

Oberflächennahe Geothermie ist eine Schlüsseltechnologie für die Wärmewende: leise, lokal, grundlastfähig und zunehmend wirtschaftlich attraktiv. Die vielfältigen technischen Möglichkeiten erlauben der oberflächennahen Geothermie eine breite Anwendungsmöglichkeit sowohl im Wohn-, Gewerbe- und Industriebereich als auch bei großen Wärmenetzen. 

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