Erdwärmespeicher für unsere Städte

Erdwärmesonden und Wärmepumpen sind eine gute Alternative zum Heizen mit Erdöl. Nur für bevölkerungsreiche Gebiete eignen sie sich nicht, weil zu dicht platzierte Sonden dem Boden die Wärme entziehen. Grosses Potenzial eröffnet sich jedoch, wenn man Erdwärmesonden auch als Wärmespeicher nutzt.

In der Stadt Zürich gibt es über 5000 Erdwärmesonden.  
In der Stadt Zürich gibt es über 5000 Erdwärmesonden. Rot: Wärmenutzung; Blau: Wärme- und Kältenutzung; Strichhöhe: Tiefe der Sonden; Strichbreite: Anzahl Sonden. (Bild: Manuela Baur / Amt für Städtebau, Stadt Zürich)

Letzthin war ich in Grindelwald und habe die wärmenden Sonnenstrahlen genossen. Der Wärmefluss erreichte bis 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. Das Gestein leitet die Wärme schlecht – sie fliesst nicht, sie kriecht nur. Dank Erdwärmesonden [1] und Wärmepumpen [2] ist es möglich, die Wärme direkt aus dem Untergrund in die Häuser zu leiten.

Zu dicht platzierte Sonden

Nur in dicht besiedelten Gebieten funktioniert das nicht, weil sich Erdwärmesonden gegenseitig die Wärme entziehen und das Gestein langfristig abkühlen. Zu dicht platzierte Erdwärmesonden müssen daher aktiv regeneriert werden. Dazu kühlt man beispielsweise 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 [3]. Ein Einfamilienhaus benötigt nur wenige Quadratmeter. In dicht bebauten Städten wird die notwendige Sonnenkollektorfläche jedoch rasch zu gross. Daher sind bessere Lösungen zu suchen. Falls dort beispielsweise Fluss- oder Seewasser verfügbar ist, 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 einen 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. Möglich sind Wirkungsgrade bis zu 70 Prozent.

Die Leitungen aller Erdwärmesonden der ETH Zürich auf dem Hönggerberg laufen zusammen.
Die Leitungen aller Erdwärmesonden der ETH Zürich auf dem Hönggerberg laufen zusammen. (Bild: Amstein + Walthert AG)

In der Schweiz gibt es bereits mehrere solcher Anlagen. Auf dem Campus Hönggerberg der ETH Zürich beispielsweise speichern 425 Erdwärmesonden die Abwärme von Servern und Laborgeräten 200 Meter tief (mehr dazu hier). Heizen mit Erdwärme und saisonalem Erdspeicher eignet sich optimal für neu zu überbauende Areale.

Ein Blick ins Ausland

Die Stadt Paris 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 [4].

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 kommen Industrie- und Kehrichtverbrennungsanlagen 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.

Entwicklung der Erdwärmespeicher in den Niederlanden.  
Entwicklung der Erdwärmespeicher in den Niederlanden. (Bild: IFTech International)

Genf erkundet Geothermie

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 [5] ins Leben gerufen. Im Rahmen dessen engagieren sich das «Schweizer Kompetenzzentrum für Energieforschung – Strombereitstellung» SCCER-SoE und die Universität Genf bei der Analyse der Geologie, um geeignete Standorte zu identifizieren.

Sondierbohrungen in der Schweiz

Hierzulande 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 [6]. Vertiefte Kenntnisse über den wenig tiefen Schweizer Untergrund werden helfen, optimale geologische Schichten für saisonale Erdwärmespeicher zu finden. Ausserdem sind im Kompetenzzentrum SCCER-SoE und in der Industrie Versuche geplant, um Erdwärmespeicher mit höheren Temperaturen im Gestein petrothermal zu realisieren, das heisst unabhängig von natürlich vorkommenden wasserführenden Schichten.

Dieser Beitrag erscheint auch im Blog des SCCER-SoE.

Weiterführende Informationen

[1] Geothermie Schweiz: Technologie

[2] Energie Schweiz: Wärmepumpen

[3] Optimierung von Erdsonden

[4] Geothermie in Paris (Französisch) 

[5] GEothermie2020

[6] Stadtwerke München: Vision: Fernwärme aus regenerativen Energien

Zum Autor

Ueli Wieland

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Wed Mar 29 15:00:18 CEST 2017
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