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Die Vermeidung von "Konflikten" bei der Wärmegewinnungaus dem Erdreich
Die SUPSI ist Partner des europäischen Projekts GEO4CIVIC, dessen Ziel es ist, die Effizienz von kleinen geothermischen Anlagen zu erhöhen, die in möglichst vielen Häusern installiert werden sollen. Aber die Sonden können sich gegenseitig "stören"von Michela Perrone
Beheizung oder Kühlung von Gebäuden durch geothermische Energie, d. h. durch Übertragung von Wärme aus dem Erdreich auf das Gebäude. Dies ist das Prinzip von GEO4CIVIC (Akronym für das Projekt “Most Easy, Efficient and Low Cost Geothermal Systems for Retrofitting Civil and Historical Buildings”), einer europäischen Initiative, deren Ziel es ist, die Effizienz von Wärmetauschern mit dem Erdreich zu verbessern, indem oberflächennahe geothermische Systeme (bekannt als Erdwärmesonden) entwickelt werden, die bei der Renovierung bestehender und historischer Gebäude eingesetzt werden können.
In der Schweiz ist diese Technologie vor allem in Form von Kleinanlagen für Ein- und Mehrfamilienhäuser beliebt. Eigentlich kann die Erdwärmesonden-Technologie fast überall eingesetzt werden, sofern genügend Platz zum Bohren vorhanden ist. Ausnahmen sind einige Gebiete, in denen Installationen aufgrund des Vorhandenseins von unterirdischen Wasseradern, die der Trinkwasserversorgung dienen, verboten sind.
Die Innovation von GEO4CIVIC besteht darin, Erdwärmesonden in Bezug auf den Wärmeaustausch mit dem Erdreich noch effizienter zu machen, und die Kosten mit kompakten Bohrmaschinen, die auf engem Raum arbeiten können, niedrig zu halten. Eine ideale Lösung für die Sanierung historischer Gebäude im städtischen Kontext, die in der Regel wenig freie Fläche haben.
EINE STRATEGISCHE WAHL - Geothermische Energie ist eine der erneuerbaren Energiequellen, die die Europäische Union entwickeln und ausbauen will. Im Europäischen Strategieplan für Energietechnologie (SET-Plan) wird sie als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung des Heiz- und Kühlsektors bezeichnet, auf den ein erheblicher Teil des Energieverbrauchs in der EU entfällt.
Die Schweiz ist ein Vorreiter bei der Nutzung dieser Energiequelle: «Sie ist das europäische Land mit der höchsten Anzahl von Erdwärmesonden pro Quadratmeter Landesfläche», erinnert Marco Belliardi, Forscher am Institut für angewandte Nachhaltigkeit in der gebauten Umwelt der SUPSI. Die Fachhochschule Südschweiz ist einer der Partner des GEO4CIVIC-Projekts und hat sich insbesondere mit den Problemen der thermischen Interferenz zwischen geothermischen Anlagen befasst. Dabei handelt es sich um ein mehr oder weniger ausgeprägtes Phänomen, das zwischen benachbarten Anlagen auftritt und deren Betrieb auf lange Sicht beeinträchtigt.
WIE DAS PROJEKT FUNKTIONIERT - Diejenigen, die sich mit geothermischer Energie beschäftigen, teilen sie in drei Makrokategorien ein: oberflächennah, mittel und tief. Die erste Kategorie, auf die sich das Projekt GEO4CIVIC konzentriert, reicht von der Oberfläche bis in eine Tiefe von etwa 300 Metern. Ihre Temperatur (die das ganze Jahr über konstant ist, unabhängig von den Jahreszeiten) liegt zwischen 10 und 17 Grad. «In den urbanisierten Gebieten des Tessins hat der Boden an der Oberfläche eine Temperatur von etwa 12 Grad, die in 300 Metern Tiefe auf 17-18 Grad Celsius ansteigt», erklärt Belliardi, «das bedeutet einen durchschnittlichen Anstieg von etwa 2 Grad Celsius alle 100 Meter».
Die Nutzung dieser Wärme erfolgt indirekt über eine Wärmepumpe, d. h. eine Maschine, die in der Lage ist, Wärmeenergie aus verschiedenen Energiequellen, einschliesslich des Erdreichs, zu gewinnen und zu übertragen.
«Bei einer geothermischen Wärmepumpe», so Belliardi weiter, «wird dem Erdreich über Wärmetauscher (so genannte Erdsonden), die Wasser und Frostschutzmittel enthalten, Wärme entzogen. Diese Erdwärme, die eine relativ niedrige Temperatur hat, wird dann von der Wärmepumpe effizient genutzt, um Räume zu heizen und Warmwasser zu erzeugen».
Praktisch gesehen bohrt eine Bohrmaschine ein Loch mit einem Durchmesser von etwa fünfzehn Zentimetern in den Boden, und zwar in einer Tiefe von 80 bis 250 Metern. Darin werden zwei U-förmige Rohre eingesetzt, die anschliessend zementiert werden und mit dem Boden verschmelzen. Im Inneren der Rohre findet ein Wärmeaustausch statt.
VERBESSERUNG DER GEBÄUDEEFFIZIENZ - Einem Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) zufolge liegt die weltweite Modernisierungsrate für Wohn- und Geschäftsgebäude bei etwa einem Prozent pro Jahr. Derzeit handelt es sich dabei meist um oberflächliche Arbeiten. Die Energiewende-Initiative der Europäischen Kommission will diese Rate auf 3 % erhöhen und die Modernisierung des Gebäudebestands stärker in den Vordergrund rücken. Das Projekt GEO4CIVHIC trägt diesem Aspekt Rechnung.
Wärmepumpenheizungs-, -lüftungs- und -klimatisierungssysteme haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer Energieeffizienz und geringen Umweltauswirkungen an Beliebtheit gewonnen. Experten zufolge werden Erdwärmepumpen wahrscheinlich immer beliebter, da die Energieeffizienzvorschriften strenger und die Verbraucher sich der Vorteile dieser Systeme stärker bewusst werden. Die steigende Nachfrage könnte zu einem stärkeren Wettbewerb zwischen den Herstellern führen, der die Preise senkt und geothermische Systeme erschwinglicher macht.
Derzeit sind die Schweiz, die Niederlande und Schweden die europäischen Länder mit dem höchsten Verbreitungsgrad dieser Art von Anlagen. «Vor allem in der Schweiz», erklärt Belliardi, «zeigen die Verkaufszahlen, dass etwa jede dritte Wärmepumpe geothermisch ist, und praktisch alle Neubauten sind mit Wärmepumpen ausgestattet. Daher die Studie über Interferenzprobleme zwischen Nachbarn».
Die positiven "Auswirkungen" des GEO4CIVIC-Projekts sind innovative Technologien, die auf dem Markt angewandt werden sollen, und eine Studie über spezifische Bereiche, von der Regulierung bis zu thermischen Interferenzen, an der SUPSI-Forscher beteiligt waren.
KONFLIKTE ZWISCHEN DEN SONDEN - «Alle Sonden stören sich gegenseitig: Indem sie dem Boden Wärme entziehen, kühlen sie ihn ab», sagt Belliardi. «Mit zunehmender Zahl der Anlagen steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich gegenseitig stören». Eine grosse Anlage kann bis zu einem Dutzend Wärmetauscher haben: «In diesem Fall muss die Situation untersucht werden, bevor eine weitere Anlage auf einem benachbarten Grundstück geplant wird», sagt der Forscher. «Unsere Aufgabe bestand darin, ein integriertes Konzept zur Vermeidung langfristiger thermischer Störungen zu entwickeln, das Managementstrategien und technische Vorschläge für die Gestaltung und den Betrieb enthält».
DER MANGEL AN DATEN - Das Hauptproblem, das das Team der europäischen Partner festgestellt hat, ist der Mangel an Daten: «In vielen europäischen Ländern werden die Informationen über diese geothermischen Anlagen nicht gesammelt und zur Verfügung gestellt», erklärt Belliardi. «Die Schweiz ist in dieser Hinsicht führend, da sie seit vielen Jahren eine Reihe von kantonalen Portalen für die Registrierung aller geothermischen Anlagen eingerichtet hat. Diese sind jedoch oft nicht ausreichend aktuell, da die gesammelten Informationen in vielen Fällen auf Vorprojekten beruhen, die sich während der endgültigen Bauphase erheblich ändern können». Es ist wichtig, dass die Daten von Anfang an auf dem neuesten Stand sind, denn im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Technologien, die sich später leicht orten lassen, sind oberflächennahe geothermische Systeme nach der Installation schwer zu lokalisieren, da sie praktisch keine sichtbaren Auswirkungen haben. SUPSI-Experten haben ein sechsstufiges Flussdiagramm als Leitfaden entwickelt, um den idealen Planungs- und Umsetzungsprozess für eine geothermische Anlage zu ermitteln, und auch Vorschläge zur Verbesserung bestehender Prozesse gemacht, um Störungen zu vermeiden. Das Instrument wurde dann auf mehrere Fallstudien in ganz Europa angewandt. «Wir hoffen, dass dieses Modell», so Belliardi abschliessend, «in verschiedenen Stadien verwendet werden kann, um Anlagen zu bauen, die den Kontext berücksichtigen und daher im Laufe der Zeit noch effizienter und nachhaltiger sind. Geothermische Energie ist eine unglaublich erneuerbare und effiziente Energiequelle, aber damit ihr Potenzial voll ausgeschöpft werden kann, muss ein umsichtiges und nachhaltiges Bewirtschaftungssystem entwickelt werden, um ihre Langlebigkeit nicht zu beeinträchtigen und den ökologischen und wirtschaftlichen Nutzen für künftige Generationen zu gewährleisten».