Untiefe Geothermie: woher kommt die Energie?

Huber, Arthur and Pahud, Daniel (1999) Untiefe Geothermie: woher kommt die Energie? Project Report UNSPECIFIED

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Abstract

Die untiefe Geothermie, also die in den obersten 400 m der Erde gespeicherte Wärme, bildet eine fast überall zugängliche, sehr grosse „Energiequelle“ für die Beheizung unserer Häuser der Zukunft. Wenn diese Wärme mit Erdwärmesonden genutzt wird, dann kühlen wir diesen geo¬thermischen Wärmespeicher ab. Es stellt sich deshalb die Frage, ob diese Wärme irgend einmal erschöpft ist. Der natürliche Wärmefluss aus dem Erdinnern an die Oberfläche beträgt im Schwei¬zerischen Mittelland ungefähr 0.065 W/m2. Dies sind 0.57 kWh/m2 pro Jahr. Ein typisches Einfamilien¬haus entzieht dem Erdreich aber etwa 8’000 kWh pro Jahr. Dies ist eine Energiemenge, die dem geothermischen Wärmefluss von 14’000 m2 Landfläche entspricht. Diese Rechnung wurde in den letzten Jahren verschiedentlich angestellt und hat zu Beunruhigung geführt. Leben wir mit dieser Technik auf Kosten unserer Kinder? Was passiert, wenn meine Nachbarn ebenfalls dieses Wärme¬reservoir anzapfen? Muss der Staat regulierend eingreifen und Konzessionsgebühren für die Nutzung der Erdwärme einführen, oder soll dieser gar eine aktive Wiederaufladung mit Solar¬energie im Sommer verlangen? Im Thermoprogramm Erdwärmesonden, Burgdorf (Werner et al., 1996) wurden zu diesem Thema sehr genaue Messungen durchgeführt. Im betrachteten Zeitraum von 4 Jahren wurde eine Energiebilanz aufgestellt, aus der hervorgeht, dass 68% der Wärme als „Zehrung“ aus dem Wärmereservoir entnommen wurde. Auch dieses Resultat scheint zu belegen, dass wir es nicht mit erneuerbarer Energie zu tun haben. Die Publikation „Ist untiefe Geothermie erneuerbar?“ von Eugster et al. (1999) kommt zu einem ähnlichen Schluss. In der vorliegenden Arbeit wird das Problem auf der Basis der Aehnlichkeitstheorie von Claesson und Eskilson (1987) behandelt. Diese Arbeiten sind durch vielfache Messungen und numerische Rechnungen validiert. Claesson und Eskilson kommen aber klar zum Schluss, dass es für alle Erdwärmesonden eine Zeitkonstante gibt, nach der ein Gleichgewichts¬zustand von Wärme¬entnahme und Nachfliessen der Wärme eintritt. Diese Zeitkonstante ist proportional zur Sondentiefe im Quadrat und liegt für 100m tiefe Erdwärmesonden im Bereich von 20 - 50 Jahren. Ist der Gleichgewichtszustand einmal erreicht, so fliesst im Mittel von der Erdoberfläche zusätzlich gleich viel Wärme nach, wie mit der Erdwärmesonde entzogen wird. Auf den ersten Blick liegt in den Arbeiten von Eugster und Werner einerseits und der Theorie von Claesson und Eskilson andererseits ein Widerspruch. Der scheinbare Widerspruch löst sich aber auf, wenn wir die langen Zeitkonstanten der untersuchten Beispiele berücksichtigen. Wir nutzen in der untiefen Geothermie also vor allem gespeicherte Sonnenenergie. Auch ein Vergleich der Energiebilanz des Thermoprogrammes Erdwärme¬sonden und der Theorie von Claesson und Eskilson stimmen hervorragend überein, sofern die Sondenzeitkonstante und die sehr kurze Messzeit berücksichtigt werden. Wie sieht es nun mit dem „Wärmeklau“ meines Nachbarn aus? Auch für die Beantwortung dieser Frage eignet sich die Aehnlichkeitstheorie sehr gut. Es kann damit genau berechnet werden, um wieviel die Quellentemperatur meiner Erdwärmesonden sinkt, wenn auch mein Nachbar diese Technik einsetzt. Auch hier hilft die Sonnenenergie stark mit, der Einfluss einer zusätzlichen Erdwärmesonde in gebührendem Abstand ist gering. Jede zusätzliche Erdwärmesonde in der Umgebung hat aber auch einen zusätzlichen Einfluss auf meine Quellentemperatur. Und da immer mehr Erdwärmesonden ohne Frostschutz geplant und gebaut werden, muss in Zukunft vermehrt auf diese Zusammenhänge geachtet werden. Die Existenz eines Gleichgewichtszustandes zwischen nachhaltig nachfliessender Wärme (geothermischer Wärmefluss und Sonnenenergie) und Wärmeentzug beweisen eindeutig die Erneuer¬barkeit der untiefen Geothermie.

Item Type:	Report (Project Report)
Uncontrolled Keywords:	borehole heat exchnger, shallow geothermal energy, sustainibility
Subjects:	Engineering > Civil engineering > Environmental engineering > Energy resources
Department/unit:	Dipartimento ambiente costruzioni e design > Istituto sostenibilità applicata all'ambiente costruito
Depositing User:	Daniel Pahud
Date Deposited:	30 Sep 2013 13:51
Last Modified:	30 Sep 2013 13:51
URI:	http://repository.supsi.ch/id/eprint/2825

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