So funktioniert Geothermie: Ein umfassender Leitfaden zur Energie aus dem Untergrund

Kurzantwort: Die Geothermie nutzt die konstante Temperatur des Erdreichs – in Spanien liegt sie ganzjährig bei etwa 10–18 °C – zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden. Ein unterirdisch verlegtes Rohrsystem nimmt diese Wärme mithilfe einer Flüssigkeit auf, und eine Erdwärmepumpe hebt sie auf die für Heizung, Kühlung und Warmwasser benötigte Temperatur an. Für jede verbrauchte kWh Strom liefert das System zwischen 4 und 5 kWh Wärmeenergie.

Was ist Geothermie und woher stammt ihre Energie?

Geothermie bezeichnet die Nutzung der im Erdreich gespeicherten Wärme. Schon wenige Meter unter der Oberfläche wirkt der Boden wie ein riesiger Wärmespeicher: Er nimmt Sonnenenergie auf und hält das ganze Jahr über eine nahezu konstante Temperatur, unabhängig von den Wetterschwankungen an der Oberfläche.

Dabei sind zwei Nutzungsarten zu unterscheiden:

• Oberflächennahe Geothermie beziehungsweise Geothermie mit sehr niedrigen Temperaturen wird zum Beheizen und Kühlen von Wohnhäusern und anderen Gebäuden eingesetzt. Um sie geht es in diesem Leitfaden.
• Tiefengeothermie beziehungsweise Geothermie mit hohen Temperaturen nutzt die Wärme tief liegender Lagerstätten, um in Geothermiekraftwerken Strom zu erzeugen.

Wenn wir im häuslichen Bereich und in der Leichtindustrie davon sprechen, wie Geothermie funktioniert, meinen wir fast immer die erste Variante: Systeme, die einen im Erdreich verlegten Wärmetauscher mit einer Erdwärmepumpe kombinieren.

Das Prinzip: die konstante Temperatur des Erdreichs

Das Grundprinzip der Geothermie ist einfach. Während die Lufttemperatur zwischen Minusgraden im Winter und mehr als 35 °C im Sommer schwankt, pendelt sich die Temperatur des Erdreichs ab einer Tiefe von etwa 5–10 Metern je nach Region bei rund 10–18 °C ein und bleibt das ganze Jahr über nahezu konstant.

Diese Beständigkeit macht das System so effizient:

• Im Winter ist das Erdreich deutlich wärmer als die Außenluft. Deshalb braucht es nur wenig Energie, um ihm Wärme zu entziehen.
• Im Sommer ist es umgekehrt: Der Boden ist kühler als die Luft und kann überschüssige Wärme aus dem Haus aufnehmen.

Anders als eine Luftwärmepumpe (Aerothermie), die an Tagen mit besonders hohem Wärmebedarf sehr kalte Außenluft nutzen muss, arbeitet die Geothermie stets mit einer milden, konstanten Ausgangstemperatur. Daher ist ihre Effizienz höher.

So funktioniert Geothermie Schritt für Schritt

Ein vollständiges Geothermiesystem besteht aus drei Komponenten, die nacheinander zusammenwirken.

1. Die Wärmegewinnung: das unterirdische Rohrsystem

Dieser Wärmetauscher verbindet das System mit dem Erdreich. Er besteht aus einem geschlossenen Kreislauf unterirdisch verlegter Polyethylenrohre, durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser mit Frostschutzmittel) strömt.

Diese Flüssigkeit zirkuliert durch das Erdreich, nimmt dessen Wärme auf und kehrt um einige Grad erwärmt zur Wärmepumpe zurück. Der Kreislauf ist kontinuierlich und geschlossen: Dieselbe Flüssigkeit zirkuliert immer wieder, ohne verbraucht zu werden.

2. Die Erdwärmepumpe

Sie ist das Herzstück des Systems. Sie nimmt die Wärme bei niedriger Temperatur aus dem Erdreich auf und bringt sie mithilfe eines thermodynamischen Kreislaufs mit vier Phasen auf ein nutzbares Temperaturniveau:

1. Verdampfer. Die Wärme, die die Flüssigkeit aus dem Erdreich mitbringt, lässt ein Kältemittel bei niedrigem Druck verdampfen.
2. Verdichter. Er verdichtet dieses Gas, wodurch sein Druck und damit seine Temperatur stark ansteigen.
3. Verflüssiger. Das heiße Kältemittel gibt seine Wärme an den Heizungs- oder Warmwasserkreislauf des Hauses ab und kondensiert.
4. Expansionsventil. Druck und Temperatur des Kältemittels sinken, und es strömt zurück zum Verdampfer, um den Kreislauf erneut zu durchlaufen.

Der einzige nennenswerte Stromverbrauch entfällt auf den Verdichter. Da der Großteil der Energie kostenlos aus dem Erdreich stammt, ist der Wirkungsgrad sehr hoch.

3. Die Wärmeverteilung im Haus

Die erzeugte Wärme wird über das Wärmeverteilsystem abgegeben: über eine Fußbodenheizung (die effizienteste Variante, da sie mit niedrigen Temperaturen arbeitet), Gebläsekonvektoren oder Niedertemperaturheizkörper. Dasselbe Gerät kann auch Warmwasser bereiten und im Sommer den Kreislauf zum Kühlen umkehren.

Arten der geothermischen Wärmegewinnung

Nicht jedes Gelände und nicht jedes Grundstück ist gleich. Es gibt drei wesentliche Arten der Wärmegewinnung:

• Horizontale Wärmegewinnung. Die Rohre werden in Gräben in 1,5–2 Metern Tiefe verlegt und über eine größere Fläche verteilt. Diese Variante ist am günstigsten zu installieren, erfordert jedoch ausreichend Grundstücksfläche.
• Vertikale Wärmegewinnung (Erdsonden). Hierfür werden 50 bis 150 Meter tiefe Bohrungen vorgenommen, in die die Sonden eingebracht werden. Diese Variante benötigt an der Oberfläche sehr wenig Platz und bietet die beste Effizienz, ist aufgrund der Bohrungen aber teurer.
• Wärmegewinnung aus Grundwasser (offener Kreislauf). Dabei wird das Wasser eines Grundwasserleiters direkt als Wärmequelle genutzt. Wo diese Ressource verfügbar ist, ist das Verfahren sehr effizient.

Die Wahl hängt vom verfügbaren Platz, der Bodenbeschaffenheit und dem Energiebedarf des Gebäudes ab.

Geothermie für Heizung, Kühlung und Warmwasser

Einer der großen Vorteile der Geothermie besteht darin, dass ein einziges Gerät ganzjährig den gesamten Wärme- und Kühlbedarf des Hauses deckt:

• Heizung im Winter, mit gleichbleibender Effizienz selbst in den kältesten Nächten.
• Kühlung im Sommer, durch Umkehrung des Kreislaufs oder durch passive Kühlung (bei der die niedrige Temperatur des Erdreichs direkt genutzt wird und nur sehr wenig Energie verbraucht wird).
• Warmwasserbereitung das ganze Jahr über.

Damit entfallen ein separater Heizkessel und eine separate Klimaanlage.

Warum Geothermie so effizient ist

Die Kennzahl für die Effizienz einer Wärmepumpe ist der COP (Leistungszahl): das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeenergie und dem verbrauchten Strom.

Ein richtig dimensioniertes Geothermiesystem erreicht einen COP von 4 bis 5 oder mehr. Das heißt: Für jede verbrauchte kWh Strom liefert es 4 oder 5 kWh Wärme. Das hat zwei Gründe: Es nutzt eine Wärmequelle mit konstanter, milder Temperatur und erleidet nicht die Effizienzverluste, die bei der Aerothermie an extrem kalten Tagen auftreten.

Über das Jahr hinweg führt diese Effizienz zu erheblichen Einsparungen gegenüber herkömmlichen Gas-, Öl- oder Elektroheizungen und zu sehr geringen Emissionen.

Geothermie mit Ecoforest: die ecoGEO-Produktreihe

Ecoforest ist der einzige spanische Hersteller von Erdwärmepumpen. Die Produktreihe ecoGEO verfügt über Inverter-Technologie: Der Verdichter passt seine Leistung laufend an den tatsächlichen Bedarf des Hauses an, statt stets unter Volllast zu laufen und sich dann abzuschalten. Das sorgt für eine noch höhere Effizienz und eine längere Lebensdauer des Geräts.

Darüber hinaus ermöglicht die HTR-Technologie (Heißgaswärmetauscher) die effiziente Bereitung von Warmwasser mit bis zu 80 °C. Mit der App Ecoforest Home und der Easynet-Technologie lässt sich das System in Echtzeit überwachen und optimieren.

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Häufig gestellte Fragen zur Funktionsweise der Geothermie

Funktioniert Geothermie auf jedem Grundstück? In den meisten Fällen ja. Unterschiedlich ist lediglich, welche Art der Wärmegewinnung am besten geeignet ist (horizontal, vertikal oder aus Grundwasser). Eine vorherige Untersuchung des Grundstücks ermittelt die beste Lösung.

Verbraucht sie viel Strom? Sie verbraucht Strom, aber sehr wenig im Verhältnis zur erzeugten Wärme. Bei einem COP von 4–5 stammen etwa 75–80 % der abgegebenen Energie kostenlos aus dem Erdreich; nur der Rest wird durch Strom bereitgestellt.

Kann Geothermie im Sommer auch kühlen? Ja. Das System kann seinen Kreislauf umkehren oder passive Kühlung nutzen, um das Haus im Sommer mit sehr geringem Energieverbrauch zu kühlen.

Wie lange hält eine Geothermieanlage? Der unterirdisch verlegte Wärmegewinnungskreislauf hat eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten (50 Jahre oder mehr), die Wärmepumpe hält bei minimalem Wartungsaufwand etwa 20–25 Jahre.

Was ist der Unterschied zwischen Geothermie und Aerothermie? Bei beiden kommen Wärmepumpen zum Einsatz. Die Aerothermie gewinnt Wärme aus der Außenluft, die Geothermie aus dem Erdreich. Da sie eine konstantere Ausgangstemperatur nutzt, bietet die Geothermie eine höhere und gleichmäßigere Effizienz, insbesondere in kalten Klimazonen.