Was sind Erdwärmesonden?

Mit Erdwärmesonden ist es möglich der Erde Wärme zu entziehen (Geothermie) und diese mit Hilfe einer Wärmepumpe in Heizenergie umzuwandeln. In meinem heutigen Beitrag möchte ich euch Erdwärmesonden und deren Funktion als Teil eines geothermischen Heizsystems vorstellen. Das Titelbild zeigt einen mobilen Erdwärmesondenbohrer in Nahaufnahme.

Grundlagen Erdwärmesonden

Wann kommen Erdwärmesonden zum Einsatz?

Abbildung 1: Geothermie – Wärmepumpe Erdwärmesonden

Für ein geothermisches Heizsystem kommen Erdwärmesonden meist dann in Frage, wenn nur eine geringe Grundstücksfläche zur Verfügung steht. Dabei werden für Erdwärmesonden vertikale Bohrungen von Tiefen bis zu 200 m durchgeführt.

Da der Erdboden ab einer Tiefe von ca. 15 m zu jeder Jahreszeit eine konstante Temperatur hat, ist es mit Hilfe einer Wärmepumpe möglich dem Erdreich Energie zu entziehen und diese in Wärmeenergie umzuwandeln.

Funktion von Erdwärmesonden

Für Erdwärmesonden gibt es zwei typische Bauformen: die U-Rohrsonden und die Doppel-U-Rohrsonden. Die Funktion einer Erdsonde möchte ich euch am Beispiel einer Doppel-U-Rohrsonde zeigen.

Eine Doppel-U-Rohrsonde besteht aus zwei Kunststoff-Doppel-U-Rohrschleifen wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Diese befinden sich in einem Bohrloch, in dem alle Hohlräume zwischen Erdreich und Rohren mit Bentonit aufgefüllt werden. Bentonit ist eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralien, welches eine gute Froststandsicherheit hat.

Abbildung 2: Doppel-U-Rohrsonde

In den Rohren befindet sich eine wässrige Lösung von Salzen, welche auch Sole genannt wird. Die Sole fließt durch die Rohre und nimmt auf ihrem Weg im Erdreich zur Wärmepumpe Wärme aus der Erde auf (siehe Temperaturverlauf Erdreich). Nachdem die Sole ihre Wärme an das Kühlmittel in der Wärmepumpe abgegeben hat, fließt sie abgekühlt zum tiefsten Punkt der Doppel-U-Rohrsonde zurück und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Wärmeübertrag der Bodenverhältnisse

Um die Anzahl und die Tiefe von Erdwärmesonden planen zu können, müssen komplexe geologische und hydrologische Zusammenhänge verstanden werden, da die Entzugsleistung von Sonden (Wärmeübertrag pro m) stark von den örtlichen Bodenverhältnissen abhängt. Als ersten Näherungswert können 50 W/m angenommen werden, der Schwankungsbereich der Entzugsleistung kann jedoch bis zu 100 % betragen.

Wichtig: Aus diesem Grund sind Erdwärmesonden grundsätzlich von einem Fachbetrieb oder Planungsbüro für Geothermie auszulegen und durch eine detaillierte Berechnung nachzuweisen. Die erfolgt meist durch ein geologisches Gutachten.

Eine überschlägige Ermittlung von Erdwärmesonden ist generell nicht zulässig. Dies bezieht sich auch auf einen Leistungsbereich < 30 kW.

Mit Hilfe eines geologischen Gutachtens lassen sich dann unter anderem genaue Kenntnisse zu Temperaturänderungen in bestimmten Tiefen und Zeiträumen sowie Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spezifische Wärmekapazität und die daraus resultierende Thermische Diffusivität (Temperaturleitfähigkeit) des Gesteins ableiten.

Vereinzelte Bundesländer haben dazu Onlineportale, in denen geologische Karten und erste Anhaltspunkte zur Bodenbeschaffenheit eingesehen werden können. Als bestes Beispiel kann ich hier die Geowissenschaftlichen Übersichtskarten des Bundeslandes Baden-Württemberg empfehlen.

Planungshinweise

Sondenabstand

Sind die Bodenverhältnisse bekannt, ist es beim Planen der Anlage wichtig auf einen Mindestabstand von Sonde zu Sonde zu achten, damit sich die Sonden nicht gegenseitig beeinflussen. Durch genügend Abstand ist die Möglichkeit gegeben den natürlichen Wärmestrom der Erde auf einer konstanten Temperatur zu halten. Wenn mehrere Sonden zum Einsatz kommen, sollte man einen Abstand von ca. 5 – 6 m zwischen den Sonden einhalten.

Sollten die empfohlenen Abstände keine Beachtung finden, würde dem Boden mehr Wärme entzogen werden als durch den natürlichen Wärmefluss der Erde nachströmen kann. Der Boden könnte sich dadurch nicht mehr regenerieren und es würde zur Vereisung des Bodens kommen. Dies hätte eine nicht funktionstüchtige Anlage zur Folge.

Bergbaurecht bei der Bohrung von Erdwärmesonden

Bevor mit dem Bohren der Erdwärmesonden begonnen werden darf, muss überprüft werden, ob die erforderlichen Genehmigungen wie Wasserrecht und Bergrecht zugelassen wurden. Dies wird in der VDI 4640 Blatt 1 „Theoretische Nutzung des Untergrundes, Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte“ detailliert erläutert.

Ab einer Bohrtiefe von über 100 m muss in jedem Fall ein bergrechtliches Verfahren durchgeführt werden. Die genauen Bestimmungen dazu sind im Bundesberggesetz (BBergG) zu finden.

Da ein bergrechtliches Verfahren weitere Kosten verursacht, wird meist versucht Bohrungen über 100 m zu vermeiden. Weiterhin kann es passieren, dass ab einer Bohrtiefe von über 100 m besondere Bohrgeräte benötigt werden, welche ebenfalls zusätzliche Kosten verursachen können. Falls Erdwärmesonden über 100 m Bohrtiefe zum Einsatz kommen, wird empfohlen die Länge von 200 m nicht zu überschreiten.

In meinem Beitrag „Auslegung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesonden“ zeige ich euch die näherungsweise Berechnung für Anzahl und Tiefe von Erdwärmesonden. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zu Erdwärmesonden habt, nutzt die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Wikipedia – Sole
Wikipedia – Erdwärmesonde
RP-Freiburg – Geowissenschaftliche Übersichtskarten
Erdgekoppelte Wärmepumpen – Geschichte, Systeme, Auslegung, Installation, Dipl.- Geol. Burkhard Sanner, IZWBerichte 2/92, November 1992
VDI 4640 Blatt1: Stand Dezember 2000 – Thermische Nutzung des Untergrundes – Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte
VDI 4640 Blatt2: September2001 – Thermische Nutzung des
Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen

Titelbild: Das Titelbild ist von Kecko und steht unter der Creative Commons Lizenz CC BY 2.0 – Link zum Foto: https://www.flickr.com/photos/kecko/2905405106,
An dem Bild wurden folgende Veränderungen vorgenommen: Farbtonsättigung, Kontrast- und Helligkeitsänderung, Bildzuschnitt)