Energie aus der Erde
Das Wärmeregime im Erdreich unterscheidet sich je nach Tiefe einer Geothermieanlage. Während die nutzbare Wärme in der oberflächennahen Zone, oberhalb von 20 m, nahezu ausschließlich von Sonneneinstrahlung und Sickerwasser bestimmt wird, hat der geothermische Wärmefluss aus dem Erdinneren einen stärkeren Einfluss bei Anlagen ab 20 bis 100 m Tiefe.
Ab hier ist eine Temperaturzunahme um den „geothermischen Gradienten“ von 3 bis 4 K pro 100 m Tiefe zu verzeichnen (mittlerer Wert für Deutschland) und kann in 400 Metern Tiefe einen Wert von ca. 20 °C erreichen. In Tiefen von mehreren Kilometern herrscht eine deutlich höhere, auch für Kraftwerkstechnik nutzbare Temperatur. Die Erde bezieht hier ihre Wärmeenergie vorwiegend durch Wärmeleitung und Wärmeproduktion durch radioaktive Zerfallsprozesse im Erdinneren. Dadurch herrschen in diesem Bereich nahezu ganzjährig konstante Temperaturen.
Phasenwechselsonden stellen ein innovatives Verfahren zur Erdwärmegewinnung in geschlossenen Systemen dar. Bei diesem Verfahren wird eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt (z. B. Propan oder Kohlenstoffdioxid) verdampft. Die Sonden bestehen aus einem langen senkrechten Rohr (meist 60 – 200 m), welches entweder segmentweise verschweißt (Glattrohr) oder im Ganzen von einer Rolle abgewickelt (Wellrohr) und nach unten druckdicht verschlossen wird. Am oberen Ende befindet sich im Inneren der Sonde die Filmaufgabe über den Sondenkopf, der aus dem darüber angeordneten Wärmeübertrager gespeist wird.
In den Grubenbauen von Bergwerken bilden sich durch eintretende Sickerwässer oder aufsteigende thermale Tiefenwässer große Wasservolumina, welche einem geothermischen Einfluss unterliegen. Deshalb können aus diesen Grubenwässern mitunter große Wärmemengen unter Verwendung entsprechender Wärmepumpentechnik entnommen werden, was sich für die Anwendung zur Gebäudekühlung energetisch besonders günstig darstellt. Durch die stets unterschiedlichen Gegebenheiten der Grubengebäude existiert eine große Vielfalt an unterschiedlichen Grubenwässern und entsprechenden Nutzungskonzepten zu deren geothermischer Anwendung.
Im Rahmen des Projekts VODAMIN II führt die TU Bergakademie Freiberg Untersuchungen zum Betriebsverhalten von Grubenwassergeothermieanlagen durch. Da der Aufbau der Anlagen maßgeblich von der vorliegenden Bergwerksstruktur abhängt, sind dabei unterschiedliche technische Anlagenkonzepte realisiert worden. Für einen Vergleich der Anlageneffiziens werden die notwendigen Betriebsdaten erhoben und ausgewertet. In insgesamt 5 erzgebirgischen Anlagen in Freiberg (angesiedelt am Besucherbergwerk „Reiche Zeche“, dem Schloss „Freudenstein“ und dem Kreiskrankenhaus) sowie in Ehrenfriedersdorf (gelegen beim Besucherbergwerk „Zinngrube“ sowie der Oberschule „Schule des Friedens“), werden die Untersuchungen durchgeführt.
Mit zunehmender Tiefe steigt im Allgemeinen die Temperatur des Erdreiches - und damit auch der thermalen Tiefenwässer - aufgrund des geothermischen Gradienten von durchschnittlich etwa 3 K pro 100 m. In gefluteten Schächten kann wärmeres Wasser aus größerer Tiefe aufsteigen, welches eine energetisch günstige Voraussetzung für den Betrieb von Wärmepumpen zur Gebäudekühlung schafft.
Der Durchfluss gibt an, wieviel Volumen an Grubenwasser pro Stunde die Wärmepumpen fördern. Die nutzbare thermische Energie ist dabei immer von der Menge an verfügbarem Grubenwasser abhängig. Ein ganzjährig verfügbares Wasservorkommen in den Grubenbauen eines Bergwerkes ist deshalb für eine Grubenwassergeothermieanlage essenziell.
Die Arbeitszahl beschreibt die Effizenz einer Anlage. Sie gibt an, wie viel thermische Energie in Relation zur aufgewendeten Energiemenge in einem betrachteten Zeitraum bereitgestellt werden kann. Für eine korrekte energetische Bewertung müssen sämtlicher Nutzen und Aufwand der gesamten Prozesskette betrachtet werden.
