Erdwärmespeicher für unsere Städte

22. Dezember 2016 - von Ueli Wieland

Seit dreissig Jahren bieten Erdwärmesonden und Wärmepumpen eine erfolgreiche Alternative zu Erdöl, um Häuser zu beheizen. Die Schweiz ist Spitzenreiter bei der Umsetzung. Auch ich habe für mein Zuhause vor sieben Jahren eine Erdwärmesonde installieren lassen und kann nur Gutes darüber berichten. Trotz des Erfolgs stagniert die Anzahl verkaufter Erdwärmesonden seit 2015 erstmals. Grund dafür ist, dass sich Erdwärmesonden in Städten gegenseitig die Wärme entziehen. Was nun?

Zu dicht platzierte Erdwärmesonden müssen aktiv regeneriert werden

Über das Wochenende war ich in Grindelwald und habe die wärmenden Sonnenstrahlen genossen. Der Wärmefluss erreichte Werte von 250 Watt pro Quadratmeter. Im Sommer wären sogar 1350 W/m2 möglich. Vom Wärmefluss aus dem Inneren der Erde hingegen habe ich nichts gespürt. Dieser erreicht lediglich Werte von 0.09 W/m2. Die Wärmeleitung des Gesteins ist schlecht. Die Wärme fliesst nicht, sie kriecht nur.

Dank Erdwärmesonden und Wärmepumpen ist es möglich, die Wärme direkt aus dem Untergrund in die Häuser zu leiten. Nur in dicht besiedelten Gebieten funktioniert das nicht, weil sich Erdwärmesonden gegenseitig die Wärme entziehen und das Gestein langfristig abkühlen. Als Folge müssen betroffene Erdwärmesonden regeneriert werden. Im einfachen Fall kühlt man dazu im Sommer das Haus, indem die überschüssige Wärme in die Sonde hinunter geleitet wird. Das ist genial einfach, aber leider nicht sehr wirkungsvoll. Am effizientesten lässt sich die Regeneration mit  Sonnenkollektoren auf dem Hausdach erreichen (mehr dazu hier). Ein Einfamilienhaus benötigt nur wenige Quadratmeter. In dicht bebauten Städten wird die notwendige Sonnenkollektorfläche aber zu gross. Daher sind bessere Lösungen zu suchen.

Es lässt sich folgendes erstes Fazit ziehen:

  • Für ein alleinstehendes Haus genügt eine einfache Erdwärmesonde.
  • In locker überbauten Einfamilienhausquartieren sollten Erdwärmesonden aktiv mit Sonnenkollektoren regeneriert werden.
  • Für dicht besiedelte Gebiete eignen sich Erdwärmesonden nicht. Falls dort aber Fluss- oder Seewasser zur Verfügung steht, lässt sich ein Tieftemperatur-Fernwärmenetz errichten. Dabei werden die Häuser mit Wasser/Wasser-Wärmepumpen beheizt.

Saisonale Erdwärmespeicher für Areale und Quartiere

Erdwärmesonden können Energie nicht nur gewinnen, sie können sie auch für die Nutzung zu einem späteren Zeitpunkt speichern. Dabei wird das Gestein erwärmt, indem über einen gewissen Zeitraum mehr Wärme in den Untergrund eingeleitet als entzogen wird. In diesem Fall gilt: Je dichter die Erdwärmesonden verlegt werden, desto effizienter wird der Erdspeicher und erreicht Wirkungsgrade bis zu 70 %. In der Schweiz gibt es bereits mehrere solcher Anlagen.

Auf dem Campus Hönggerberg der ETH Zürich speichern 425 Erdwärmesonden 200 Meter tief die Abwärme von Servern und Laborgeräten (mehr dazu hier). Dieses Konzept der saisonalen Speicherung mit Erdwärmesondenfeldern eignet sich optimal zur Beheizung von neu zu überbauenden Arealen.

Das Pariser Becken lebt uns hingegen seit vielen Jahren vor, wie man bestehende Quartiere von Öl oder Gas unabhängig macht. Geothermisch warmes Wasser wird aus einer reichlich wasserführenden Schicht abgesaugt und durch einen Wärmetauscher geleitet. Damit lässt sich ein Fernwärmenetz aufheizen. Am Ende wird das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund zurückgepumpt, wo es sich erneut erwärmt (mehr dazu hier).

Auch oberflächennahe Schichten eignen sich als saisonale Erdwärmespeicher mit moderaten Temperaturen (maximal 50 bis 70° Celsius). Dazu müssen sie gut durchlässig und nicht zu dick sein. Zudem darf das Grundwasser nicht als Trinkwasser verwendet werden und sollte eine tiefe Fliessgeschwindigkeit aufweisen. Als Lieferant für die Wärme kommt die Abwärme von Industrie- und Kehrichtverbrennungsanlagen oder in Zukunft hoffentlich auch von petrothermalen Geothermie-Kraftwerken in Frage. In den Niederlanden sind bereits 2500 solcher Erdwärmespeicher im 20 bis 300 Meter tiefen Untergrund installiert. Für die Beheizung der Häuser werden Wärmepumpen eingesetzt.

Der Kanton Genf ist überzeugt, dass sich sein Molassebecken ebenfalls eignet, um Erdwärmespeicher zu kreieren und geothermisch warmes Wasser zu fördern. Für die Planung und Umsetzung wurde das Projekt GEothermie2020 ins Leben gerufen. Im Rahmen dessen engagiert sich das Kompetenzzentrum SCCER-SoE zusammen mit der Universität Genf bei der geologischen Analyse und Simulation, um geeignete Standorte zu identifizieren.

Damit sind wir beim zweiten Fazit angelangt:

  • In dicht bebauten Städten sollte analysiert werden, ob sich oberflächennahe, wasserführende Schichten als Erdwärmespeicher eignen.
  • Bei neu zu überbauenden Arealen sollten Erdwärmesondenfelder errichtet werden, um Energie saisonal zu speichern.

Aussichten

Das Heizen mit nicht erneuerbarem Öl oder Gas kann durch Erdwärme ersetzt werden. Wie so oft liegt die Lösung aber nicht in einer einzigen Technologie: Je nach Dichte der Bebauung und Art des Untergrundes werden unterschiedliche Systeme die Wärme für die Heizungen der Zukunft liefern.

In der Schweiz sollen in den nächsten Jahren neue Bohrungen zeigen, ob tieferliegende wasserführende Schichten genügend durchlässig sind, um heisses Thermalwasser ökonomisch zu nutzen wie zum Beispiel im Raum München (mehr dazu hier). Um optimale geologische Schichten für saisonale Erdwärmespeicher zu finden, werden bessere Kenntnisse über den wenig tiefen Untergrund helfen. Ausserdem sind im Kompetenzzentrum SCCER-SoE und in der Industrie Versuche geplant, um Erdwärmespeicher mit höheren Temperaturen im Gestein petrothermal, das heisst unabhängig von natürlich vorkommenden wasserführenden Schichten zu realisieren.

In der Stadt Zürich gibt es über 5000 Erdwärmesonden. Rot: Wärmenutzung, Blau: Wärme- und Kältenutzung, Strichhöhe: Tiefe der Sonden, Strichbreite: Anzahl Sonden

Stadt Zürich

Konzept eines Erdwärmespeichers

Erdwärmespeicher

Zusammenführung der Leitungen aller Erdwärmesonden der ETH Zürich auf dem Hönggerberg

Hönggerberg

Entwicklung der Erdwärmespeicher in den Niederlanden

Niederlande


Diesen Beitrag finden Sie auch im Zukunftsblog der ETH Zürich und im IEU Blog.

Autor

Ueli Wieland ist Programmleiter des SCCER-SoE.