Wie geothermische Energie funktioniert: Ausführliche Erklärung

Geothermische Energie nutzt die im Erdboden gespeicherte Wärme, eine erneuerbare Energiequelle, die in den ersten 20 Metern unter der Oberfläche konstante Temperaturen zwischen 10 und 15 °C aufweist. Dieser Artikel erläutert die physikalischen und technischen Prinzipien, mit denen diese Ressource in Heizwärme, Kälte und Warmwasser für Wohngebäude umgewandelt werden kann. Wenn Sie mehr erfahren möchten, besuchen Sie Ecoforest.

Physikalische Grundlagen der Wärmeübertragung in der Geothermie

1. Wärmeleitung im Untergrund

Wärme wird durch Wärmeleitung durch Gestein und Böden übertragen, ein Prozess, der durch das Fourier-Gesetz geregelt wird:

Dabei ist q der Wärmefluss (W/m²), k die Wärmeleitfähigkeit des Materials (1,5-4 W/m·K für lehmige bis granitische Böden) und ∇T der Temperaturgradient. Die Wärmeleitfähigkeit steigt mit der Bodenfeuchte: Eine Sättigung von 100 % erhöht k um bis zu 300 % gegenüber trockenen Böden.

2. Konvektion in Aquiferen und Flüssigkeiten

In offenen Auffangsystemen wirkt das Grundwasser als konvektives Medium und transportiert Wärme gemäß:

Mit ρ (Wasserdichte), cp​ (spezifische Wärme), ΔT (Temperaturdifferenz) und v (Strömungsgeschwindigkeit). Dieser Mechanismus dominiert in geothermischen Lagerstätten mit mittlerer und hoher Enthalpie.

3. Geothermischer Gradient: Natürlicher Motor

Die Temperatur steigt mit der Tiefe um durchschnittlich 3 °C pro 100 m, in vulkanischen Gebieten kann sie jedoch 10 °C/100 m überschreiten. Dieser Gradient bestimmt in Kombination mit der Leitfähigkeit des Bodens den Wärmefluss:

Für ein Haus in Madrid mit k=2,5 W/m\cdotpK und einem Gradienten von 0,03 °C/m beträgt der natürliche Fluss 75 mW/m².

Wichtige Komponenten eines geothermischen Systems für Wohngebäude

1. Unterirdische Gewinnung

• Vertikale Sonden: U-förmige Polyethylenrohre, die in 50-150 m tiefe Bohrungen eingesetzt werden. Ideal für kleine Grundstücke, mit einem COP von 4,5-5,2.
• Horizontale Kollektoren: Rohrnetz in 1,5-2 m Tiefe. Benötigen die 2-3-fache Nutzfläche des Hauses, mit einem COP von 3,8-4,3.

2. Geothermische Wärmepumpe

Wichtigstes Bauteil, das die Wärme durch einen thermodynamischen Kreislauf verstärkt:

1. Verdampfer: Nimmt die Wärme aus der Frostschutzflüssigkeit (Glykol-Wasser) bei -3 °C auf.
2. Kompressor: Erhöht den Druck und die Temperatur des Kältemittels (R-32 oder CO₂) auf 70 °C.
3. Kondensator: Überträgt die Wärme an den Heizkreis/Brauchwasser.
4. Expansionsventil: Reduziert den Druck, um den Kreislauf neu zu starten.

Weitere Informationen zu geothermischen Wärmepumpen finden Sie unter Ecoforest.

3. Verteilungssysteme

• Fußbodenheizung: Arbeitet im Winter bei 35 °C und im Sommer bei 18 °C und maximiert so die Effizienz.
• Fancoils: Benötigen höhere Temperaturen (45-55 °C), wodurch der COP um 15-20 % reduziert wird.

Schritt für Schritt: Von der Erde ins Haus

1. Wärmeentzug: Sonden nehmen Wärmeenergie aus dem Untergrund auf, wo eine Wärmeträgerflüssigkeit mit 0,25-0,5 m/s zirkuliert. Im Winter werden 10-15 °C absorbiert, im Sommer wird die Restwärme abgegeben.
2. Wärmeverstärkung: Die Pumpe erhöht die Temperatur durch Kompression und verbraucht dabei 1 kWh Strom, um 4-5 kWh Wärme zu erzeugen.
3. Effiziente Verteilung: Die Wärme wird an Niedertemperatur-Heizkörper abgegeben, wodurch Temperaturunterschiede zwischen Boden und Decke von ≤2 °C eingehalten werden.
4. Nachhaltige Rückführung: Die gekühlte Flüssigkeit kehrt in den Untergrund zurück und lädt das Wärmereservoir wieder auf.

Praktische Anwendungen und Effizienz

Fall 1: Einfamilienhaus in Barcelona

• Konfiguration: 2 vertikale Sonden von 100 m + Fußbodenheizung.
• Leistung: COP 4,8, Einsparung von 70 % gegenüber Erdgas.
• Investition: 18.000 €, amortisiert in 7 Jahren mit Subventionen.

Fall 2: Gemeinschaftsgebäude in Mailand

• System: Offene Entnahme aus einem Grundwasserleiter bei konstanten 14 °C.
• Effizienz: 550 MWh/Jahr, Reduzierung von 120 tCO₂ pro Jahr.

Mythen vs. Fakten

• Mythos: „Geothermie funktioniert nur in vulkanischen Gebieten.“ Fakt: 95 % des europäischen Territoriums weisen ausreichende Gefälle für Niedertemperatur-Systeme auf.
• Mythos: „Bohrungen schädigen den Untergrund.“ Fakt: Vorherige hydrogeologische Studien garantieren Nachhaltigkeit.

Innovationen 2025: Geothermie 4.0

• IoT-Sensoren: Überwachen in Echtzeit die Wärmeleitfähigkeit des Bodens und passen den COP an.
• Hybridisierung mit Photovoltaik: Speicherung von überschüssiger Sonnenenergie im Untergrund.

Mit ihrem erheblichen globalen Potenzial etabliert sich die Geothermie als Rückgrat einer nachhaltigen Klimatisierung. Ihre Integration in bioklimatische Architektur und intelligente Netzwerke definiert das Konzept der Energieeffizienz in Wohngebäuden neu. Weitere Informationen finden Sie unter Ecoforest.