Geothermie

Wärme fliesst stets von wärmeren Orten zu kälteren hin. Da das Erdinnere heisser als die Erdkruste ist, fliesst ein steter Strom von Wärme aus der Erde Richtung Erdoberfläche.

Die Wärme im "heissen" Erdinnern wird dabei durch folgende drei natürliche Prozesse an die Erdoberfläche transportiert und dort an die "kalte" Atmosphäre abgegeben.

• Wärmestrahlung
• Wärmeleitung (Konduktion)
• Materialtransport (Wärmeströmung, Konvektion)

In der Geothermie ist vor allem die Wärmeleitung im festen Gestein und die Wärmeströmung durch ein Fluid (Wasser) in Gesteinen von Bedeutung.

Der bestimmende, physikalische Parameter bei der Wärmeleitung ist die Wärmeleitfähigkeit, bei der Konvektion ist es die Durchlässigkeit des Untergrundes.

Unmittelbar an der Erdoberfläche werden die Temperaturen fast ausschliesslich durch die Sonne bestimmt:

• Tagesschwankungen der Lufttemperatur beeinflussen das Erdreich bis in eine Tiefe von ca. 0.3 – 0.7 m.
• Jahresschwankungen sind bis ca. 10 - 20 m Tiefe messbar.

Da der Boden Wärme schlecht leitet, ist in der Regel spätestens unterhalb 20 m Tiefe kein Einfluss der Sonne, respektive der Jahreszeiten mehr festzustellen. Diese Zone wird „neutrale Zone“ genannt. Die Stärke der Beeinflussung ist abhängig von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Standortes bzw. von der Boden- oder Gesteinsart, der Feuchte, der Homogenität und der Exposition (Höhenlage, Neigung, Himmelsrichtung etc.). Unterhalb des Einflussbereiches der Lufttemperatur und der Sonneneinstrahlung ist die Temperatur:

• übers Jahr konstant,
• nimmt gemäss dem lokalen Temperaturgradienten kontinuierlich zu.

Oberflächennahe Geothermie

Die Tiefenabgrenzung der oberflächennahen Geothermie zur tiefen Geothermie wird generell bei 400m unter Terrain angenommen. Diese oberflächennahe Erdwärme hat sich in den letzten 4 Jahrzehnten gut bewährt und ist gut zur Nutzung erschlossen worden.

Zwar ist das Temperaturniveau im oberflächennahen Bereich in der Schweiz mit mittleren 11°C relativ niedrig, dafür bietet sich aber ein breites Anwendungsspektrum zur Bereitstellung von Wärmeenergie und Klimakälte, sowie zur Warmwassererzeugung Die Anlagen werden für Ein- oder Mehrfamilienhäuser, öffentlichen Gebäuden, und Gewerbebetrieben usw. gebaut.

Ausser bei der Nutzung von warmen oder heissen Wässern z.B. bei einer heissen Quelle, kann die Wärme des oberflächennahen Untergrundes gewöhnlich nur mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt werden.

Im Gegensatz zur tiefer ist mit der oberfächennahen Geothermie keine Stromproduktion möglich.

Das thermische Gleichgewicht im oberflächennahen Untergrund ist durch verschiedene Faktoren beeinflusst:

• Der geothermische Wärmefluss aus dem Erdinneren beträgt in der Schweiz zwischen 60 und 140 mWm-2 und ist über das ganze Jahr konstant.
  
• Die Bodenoberflächentemperatur wird allgemein durch klimatologische Bedingungen, wie Sonneneinstrahlung (kann bis über 1000 Wm-2 erreichen), Emission von Infrarotstrahlung, Lufttemperatur, Niederschlag (Regen, Schnee, etc.) und standortspezifischen Faktoren (Vegetation, Hangneigung, etc.) bestimmt.
  
• Bei fliessendendem Grundwasser, kann eine grosse Menge an Wärme durch Konvektion transportieren werden und erhöht dadurch die Ausbeute.
• Durch die Wärmeleitung kann Wärme aus dem umliegenden Gestein transportiert werden. Wie gut die Wärmeleitung ist, ist vom Untergrund abhängig und muss von Fall zu Fall analysiert werden. Dazu helfen wir ihnen gerne weitert
• Nachbarschaftliche Erdwärmesonden beeinflussen die Bodentemperatur. Zusammen mit der Firma Geowatt AG entwickeln wir ihnen individuelle wirtschaftliche Lösungen.

Geothermie in der Schweiz

Folgende Statistik haben wir 2017 zuletzt überarbeitet

Jedes Jahr werden ca. 2.5 Millionen Meter Erdwärmesonden abgeteuft. Die Anlagen tragen dazu bei die CO2 Bilanz zu verringern. Alle Erdwärmesondenanlagen zusammen tragen mit ca. 3900 GWh zur Heizung bei. Dies entspricht ca. 490 Millionen Liter Heizöl, was 13.6% des Jahresverbrauches von 2016 der Schweiz ausmacht. Der Anteil der Erdwärmesondensysteme an der geothermischen Nutzung beträgt über 80%.

Heizenergie [GWh], aufgeschlüsselt nach geothermischen Systemen für die Jahre 2004 bis 2017.

Die weitere geothermische WP-Nutzung teilt sich auf in "Oberflächennahes Grundwasser", "Tiefe Erdwärmesonden", "Geostrukturen", "Tiefe Aquifere" und "Tunnelwasser". Nicht WP-abhängige Geothermie-Nutzungen sind mehrheitlich "Thermalbäder"-Anwendungen.

Diagramm mit Anteilen der Heizenergie aller geothermischen Systeme im Jahr 2017

2017 betrug der Stromverbrauch aller geothermischer WP ca. 1170 GWh. 2016 lag der totale Stromverbrauch der Schweiz gemäss Bundesamt für Energie bei 58‘239 GWh. Der Anteil der geothermischen Wärmepumpen am gesamten Stromverbrauch ist marginal. Zudem ersetzt ein Teil der Wärmepumpen elektrische Direktheizungen und reduziert dadurch den Stromverbrauch.

Im internationalen Vergleich steht die Geothermienutzung in der Schweiz gut da: Die Schweiz hat die höchste Flächendichte von Geothermie-Anlagen (Anzahl Anlagen pro km2) weltweit (Lund et al., 2010).

Die positive Bilanz der geothermischen Energienutzung ist auf unterschiedliche Faktoren zurückzuführen, wie hohes Umweltbewusstsein, lokal verbreitetes Wissen über die Systeme sowie hohe Motivation und Innovationsfreudigkeit von Bauherren, Unternehmen und Interessenverbänden.

Über die örtlichen Energieberatungsstellen kann abgeklärt werden, ob an ihrem Wohnort aktuell ein Förderprogramm läuft.

Die Nutzung der geothermischen Ressourcen führt einerseits zur Einsparung beim CO2-Ausstoss, andererseits wird hier eine heimische Ressource verwendet. Im Jahr 2017 betrug die Einsparung an fossilem Brennstoffe durch die geothermische Nutzung ~503‘000 Tonnen Heizöl, was einer Einsparung beim CO2-Ausstoss von ~1‘850‘000 Tonnen entspricht.