Geothermie einfach erklärt: Das steckt dahinter

Wir können Geothermie zum Heizen, Kühlen oder sogar zu Stromerzeugung nutzen. Doch wie wird aus Erdenergie eigentlich Strom? Hier erfährst du, wie es funktioniert.

Was ist Geothermie?

In rund 6400 Kilometern Tiefe liegt der Mittelpunkt der Erde, der laut Spektrum eine Temperatur von 4600 bis 4700 Grad Celsius besitzt. Wie heiß es genau im Inneren der Erde ist, konnte bisher nicht gemessen werden. Die tiefsten Bohrungen reichen gerade mal rund zwölf Kilometer ins Erdinnere, so Planet Wissen. Dennoch: Sicher ist, dass der Erdkern eine starke Energiequelle ist.

Aber nicht nur das Erdinnere selbst weist immense Temperaturen auf. Mit jeden hundert Metern Tiefe nimmt die Temperatur der Erde um drei Grad Celsius zu. Das schreibt der Bundesverband für Geothermie als Faustregel für Mitteleuropa. Vom Erdkern steigt permanent Wärme an die Oberfläche der Erde und strahlt von dort aus in den Weltraum ab.

Das macht sich die Geothermie zunutze: Geothermie bedeutet nichts anderes als Erdwärme – und die können wir zum Heizen, Kühlen und zur Stromerzeugung nutzen. Dafür braucht es spezielle Anlagen. Man unterscheidet zwischen zwei Nutzungsarten, je nach Tiefe der Bohrung:

• Oberflächennahe Geothermie ist Energie aus bis zu 400 Meter Tiefe.
• Tiefengeothermie ist Energie, die aus mehreren Kilometern Tiefe stammt. 

Wie funktioniert oberflächennahe Geothermie?

Die oberflächennahe Geothermie reicht bis 400 Meter in die Tiefe und lässt sich zum Heizen, für Warmwasser oder zum Kühlen nutzen, so das Informationsportal Erneuerbare Energien. 

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, oberflächennahe Geothermie zu nutzen:

• Der am häufigsten genutzte Weg ist eine Erdwärmesonde. Das ist eine Bohrung, die laut dem Bundesverband für Geothermie in der Regel 50 bis 160 Meter in die Tiefe reicht und einen Durchmesser von zwölf Zentimetern hat. In die Bohrung wird ein U-förmiges Rohr mit einer Flüssigkeit, meistens Wasser mit einem Frostschutzmittel, eingebaut. Das erwärmt sich im Erdinneren und transportiert die Wärme mittels einer Wärmepumpe nach oben. Für ein Einfamilienhaus brauchst du ein bis zwei solcher Bohrungen.
• Eine Variante der Erdwärmesonde sind mit flüssigem CO2 gefüllte Erdwärmerohre. Der Vorteil hierbei ist, dass diese Rohre keine Energie zum Pumpen benötigen: CO2 wird gasförmig, wenn es sich erwärmt und steigt von selbst nach oben.
• Für größere Gebäude, die einen höheren Wärmebedarf haben, legen Experten Erdwärmesondenfelder an. Dabei berechnen sie erst die Wärmeleitfähigkeit des Bodens. So können sie den optimalen Abstand und die optimale Anzahl der Sonden bestimmen.
• Eine weitere Möglichkeit sind Grundwasserwärmepumpen beziehungsweise Grundwasserwärmebrunnen. Sie funktionieren am besten, wenn das Grundwasser eine möglichst konstante Temperatur hat. Ein Grundwasserwärmebrunnen pumpt das Grundwasser an die Erdoberfläche. Von dort gelangt das Grundwasser ins Gebäude. Durch einen zweiten Brunnen, den Schluckbrunnen, kommt das Grundwasser zurück unter die Erde. Solche Anlagen benötigen häufig Filter und eignen sich daher für größere Gebäude.
• Erdwärmekollektoren werden horizontal in Schlangenlinien im Boden verlegt. Sie liegen dann 80 bis 160 Zentimeter unter der Erde. Wie die Erdwärmesonden enthalten Erdwärmekollektoren meist Wasser mit Frostschutzmittel. Im Winter übertragen sie teilweise weniger Wärme als Erdwärmesonden, weil sie oberflächennaher sind und somit stärker von niedrigen Lufttemperaturen betroffen sind.
• Sogenannte Energiepfähle sind Rohre, die bereits bei der Errichtung als Wärmetauscherrohre mit im Beton verbaut werden. Der Vorteil darin ist, dass der Mehraufwand beim Bau minimal ist.

Herzstück der oberflächennahen Geothermie: Die Erdwärmepumpe

All diese Systeme sind an eine Erdwärmepumpe angeschlossen:

• Die Erdwärmepumpe enthält ein Gas, das schon bei geringen Temperaturen verdampft. Dafür sorgt die Geothermie.
• Ein elektrisch betriebener Kompressor erhöht den Druck auf das Gas. Dadurch erhöht sich dessen Temperatur weiter.
• Eine Wärmetauscher nimmt die Wärme auf und gibt sie an das Heizsystem deines Hauses weiter.
• Das Gas wird wieder flüssig, sobald es die Wärme abgegeben hat und fließt zurück, sodass es erneut erwärmt werden kann.

Übrigens arbeitet ein Kühlschrank mit demselben Prinzip, nur dass er die Wärme nach außen abgibt. Deshalb ist es hinter Kühlschränken meistens warm.

Tiefe Geothermie: Wärme für ganze Stadtviertel

Neben der oberflächennahen Erdwärmenutzung gibt es die tiefe Geothermie. Sie dringt in Tiefen von bis zu fünf Kilometern vor. In der Regel sind Anlagen für tiefe Geothermie um einiges größer und auch leistungsfähiger, so das Umweltbundesamt. Diese Anlagen können Wärme für ganze Stadtviertel liefern oder bei ausreichend hohen Temperaturen sogar Strom erzeugen. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der oberflächennahen Geothermie, nur dass die Erdwärmesonden entsprechend weiter in den Boden hinein reichen.

Um Strom zu erzeugen wird das heiße Wasser aus der Tiefe in ein Kraftwerk geleitet. Dort verdampfte es und der Dampf treibt Turbinen an. Aus der Bewegung entsteht wiederum Strom.

Vorteile und Nachteile von Geothermie

Geothermie ist eine klimafreundliche Methode zum Heizen. Eine Studie des GeoForschungsZentrums Potsdam bewertet die lokalen Umwelteffekte von Geothermie:

• Negative Effekte durch schädliche Stoffe sind nicht zu erwarten.
• Ob sich das Bodenleben rund um die Wärmesonde oder die Wärmekollektoren verändert, ist noch nicht vollständig untersucht. Das wäre auch nur in den oberen zehn Metern ein Problem, denn darunter gibt es kaum noch Bodelebewesen.
• Beim Rückbau einer Erdwärmeanlage prognostizieren die Forscher:innen, dass sich die genutzte Fläche zu 95 Prozent regeneriert. Der Ursprungszustand stellt sich nach einer gewissen Zeit also beinahe vollständig ein.
• Wenn die entsprechenden Vorschriften eingehalten werden, dann ist auch auszuschließen, dass sich das Grundwasser verändert.

Zwar bringt Geothermie ein paar Nachteile mit sich und es traten Schäden auf:

• großer Flächenbedarf für die horizontal angelegten Erdwärmekollektoren
• hohen Kosten für die Errichtung einer Anlage
• Kritiker:innen empfinden Geothermie als gefährlich. Das liegt unter anderem daran, dass Ereignisse bekannt sind, bei denen Geothermie negative Folgen hatte. Die Stadt Staufen zum Beispiel entschied sich im Jahr 2007 dazu, zum Heizen des Rathauses Erdwärme zu nutzen und bohrte sieben bis zu 140 Meter tiefe Erdwärmesonden. Einige Zeit später wurden in der Altstadt Risse an Gebäuden festgestellt. Die Ursache für die Risse war, dass sich der Untergrund gehoben hatte. Diese Heberisse ließen sich auf die undichten Erdwärmesonden zurückführen. Letztlich weisen Expert:innen darauf hin, dass schlicht handwerkliche Fehler vorlagen.
• In Nordfrankreich kam es in Folge von Geothermie-Bohrungen Ende 2020 zu leichten Erdbeben. Die Bohrungen wurden infolgedessen eingestellt. Die Technik, die in Frankreich verwendet wurde, kommt hier in Deutschland allerdings nicht zum Einsatz. Wir setzen lediglich auf hydrothermale Geothermie, die weitaus schonender und mit weniger Risiken verbunden ist.

Aber die Vorteile von Geothermie überwiegen:

• Geothermie macht unabhängig von Rohstoffen wie Erdöl und -gas und deren Preisschwankungen.
• Erdwärme liefert eine konstante und sichere Wärmezufuhr, die unabhängig von Witterungsbedingungen funktioniert, während Windräder auf Wind und Solaranlagen auf Sonne angewiesen sind.
• Erdwärme ist überall verfügbar. Das trifft vor allem auf die Oberflächengeothermie zu. Auch tiefe Geothermie ist fast überall verfügbar – es gibt aber regionale Unterschiede. Besonders geeignet sind dafür das Alpenvorland, der Oberrheingraben und das norddeutsche Tiefland.
• Geothermie kann sehr effizient sein. Theoretisch könnte man die Abwärme aus der Stromerzeugung nutzen, um damit Häuser zu heizen. Laut dem BUND wird dieses Potenzial bei Kraftwerken bisher aber nur selten genutzt.
• Erdwärme greift relativ wenig in die umgebende Umwelt ein.
• Weil bei Erdwärme kein Verbrennungsvorgang stattfindet, spart Geothermie CO2 ein. So kann die Technologie dazu beitragen, den Klimawandel zu bekämpfen.
• Die Nutzung von Geothermie ist nach Einschätzung der meisten Expert:innen sicher. Das Fraunhofer Institut bezeichnet Geothermie sogar als sichersten geologischen Energieträger im Vergleich zu konventionellen Ressourcen (Erdgas, Erdöl, Kohle, Kernbrennstoffe).

Eignet sich Geothermie für dein Zuhause?

Ob sich der Einbau einer Geothermieanlage für dich eignet, hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Erdwärmesonden sind genehmigungspflichtig. Wenn sich dein Haus in der Nähe eines Wasserschutzgebietes befindet, ist eine Bohrung eventuell nicht möglich. Lasse die Sonde von der Unteren Wasserbehörde genehmigen und melche die Bohrung beim geologischen Landesamt an. Die Regelungen sind von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich.
• Erdwärmekollektoren benötigen viel Platz. Du müsstest eine große Fläche deines Grundstücks aufgraben lassen, um die Erdwärmekollektoren im Boden zu verlegen.
• Du solltest die Anlage zusammen mit Fachleuten planen. Denn die Größe der Anlage richtet sich nach deinem individuellen Warmwasserverbrauch und deinem Heizungsverhalten. Achte auch bei der Wahl des Bohrunternehmens darauf, dass du ein zertifiziertes Bohrunternehmen beauftragst.
• Erkundige dich, welche Förderungen für den Bau deiner Anlage es gibt. Im Rahmen der Erneuerbare-Energien-Debatte hat der Bundestag dazu einige Förderprogramme ins Leben gerufen.
• Erdwärmepumpen eignen sich nicht alle Heizsysteme. Du kannst sie nur nutzen, wenn deine Heizung eine Vorlauftemperatur von unter 45 Grad Celsius hat. Die Vorlauftemperatur bezeichnet die Temperatur, mit der das Wasser in den Heizkörper fließt. Erdwärmeheizungen können höchstens 45 Grad erbringen. Auch hier gilt: Eine individuelle Beratung kann dir helfen.
• Erdwärme lässt sich gut mit Photovoltaikanlagen oder Solarthermie kombinieren: An sonnigen Tagen kann zum Beispiel eine Solarzelle dein Haus beheizen, an den übrigen Tagen übernimmt das die Geothermie mittels der Wärmepumpe. Das ist nur eine von vielen Möglichkeiten, die Technologien miteinander zu kombinieren.

Der Bundesverband für Geothermie hat eine Übersicht über die Leitlinien der einzelnen Bundesländer erstellt und bietet dir eine erste Anlaufstelle für hilfreiche Tipps.

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Schlagwörter: Energie Gewusst wie wissen