Ein oberflächennahestes Geothermiesystem wird aufgrund der ungedämmten Rohrleitungen und der Verlegung in 1 m bis 2 m Tiefe durch verschiedenste klimatische und hydrogeologische Rahmenbedingungen beeinflusst. Durch eine hygrothermische Simulationsanalyse konnten diese Einflussgrößen kategorisiert und bewertet werden. Dabei ist neben den klimatischen Rahmenbedingungen die Datengrundlage, wie die Einschätzung des Wasserhaltevermögens des Erdreichs und deren Wärmeleitfähigkeit sowie die Bodendichte, elementar. Dies führt zu teilweise signifikanten Änderungen des spezifischen Energieentzugs eines oberflächennahesten Geothermiesystems.

Es wurde eine Parameterstudie zur Einschätzung der Einflussgrößen durchgeführt und die wichtigsten Einflussfaktoren ermittelt und bewertet. Die Ergebnisse der Einflussgrößen auf oberflächennaheste Geothermiesysteme führen zur verbesserten Einschätzung des Energieentzugs unter bestimmten klimatische- und bodenbedingte Randbedingungen.

Die Simulationsergebnisse zeigen teils deutliche Unterschiede zu den bisher in der Fachwelt bekannten Werten der VDI 4640-2 und könnten als Basis für weitere Untersuchungen dienen.

Oberflächennahe Geothermie ist aufgrund der hohen Effizienz beliebt für die Beheizung und Kühlung von Gebäuden. Hier kommen insbesondere Erdwärmesondenanlagen zum Einsatz. Systembedingt bestehen diese Anlagen aus den vertikalen Sondenbohrungen und den horizontal verlegten Vor- und Rücklaufleitungen zur Anbindung der Bohrungen über Verteiler in den Technikraum.

Bei der thermischen Auslegung von Erdwärmesondenanlagen werden in den marktüblichen Simulationsprogrammen nur die thermischen Gewinne der Sondenbohrungen berücksichtigt. Die thermischen Gewinne der horizontalen Anbindeleitungen von den Sonden zu den Unterverteilern bzw. zum Gebäude bleiben bei der Anlagenauslegung unberücksichtigt. Als Teil der geothermischen Wärmequelle können die horizontalen Anbindeleitungen einen nicht unerheblichen Anteil der Heiz- und Kühlanforderungen decken. Hierdurch können vertikale Bohrmeter eingespart und geothermische Anlagen mit Erdwärmesonden insgesamt optimiert werden.

Zur Prognose der thermischen Gewinne von horizontalen Anbindetrassen wurden seitens der tewag unter anderem numerische Simulationen mit dem Modell Delphin durchgeführt. Diese betrachten unterschiedliche Trassen-breiten (Anzahl der parallel verlegten Rohrleitungen) sowie thermische Nutzungen (nur Wärmeentzug im Heizfall, Wärmeentzug/-injektion im Heiz- und Kühlfall).

Im Vortrag werden die Simulationsergebnisse anhand ausgewählter Bei-spiele vorgestellt. Weiterhin werden aus den Simulationen erste Empfehlungen zur Abschätzung der thermischen Gewinne von horizontalen Anbindeleitungen in der Praxis abgeleitet.

Oberflächennahe Geothermie erschließt die Wärmequelle Erdreich bis in Tiefen von ca. 400m. Im Gegensatz zum Entzug aus tieferen Schichten über vertikale Erdwärmesonden wird bei sehr oberflächennahen Systemen die Wärme meistens über horizontale, flächig ausgelegte Kollektoren aus den oberen Bodenmetern entzogen. Der klimatische Einfluss bestimmt dabei entscheidend die Regeneration der Wärmequelle über die Sommersaison.

In unserer Studie nutzen wir ein numerisches Simulationstool, um die Regenerationsfähigkeit des Untergrunds bei Anwendung von Flächenkollektoren für unterschiedliche Standortbedingungen zu untersuchen. Dabei modellieren wir explizit den klimatischen Einfluss an der Bodenoberkante.

Wir analysieren für einen gegebenen Standort und in Abhängigkeit der Bodenart die maximale jährliche Entzugsenergie (kWh/m²a), bei welcher eine Regeneration des Erdreichs in Kollektorumgebung noch sichergestellt wird. Dabei zeigen wir den deutlichen Einfluss der Verlegetiefe auf den resultierenden Wärmefluss von der Bodenoberkante zur Kollektorebene. Unter Berücksichtigung lokaler Klimarandbedingungen und dynamischer Modellierung der Wärmeflüsse im Untergrund wird eine Standort-spezifische Auslegung ermöglicht und damit eine genauere Abschätzung maximal möglicher Wärmeentzugsmengen. Somit können Auslegungen für Standorte optimiert werden und berechnete maximale Wärmeentzugsmengen mit bewährten Standardansätzen (VDI 4640) verglichen werden. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Regenerationsfähigkeit des Untergrunds durch konservative Standardansätze tendenziell unterschätzt wird und ein größeres Wärmepotenzial erschlossen werden kann, ohne den Boden dauerhaft zu stark auszukühlen.

Mit dem Ziel, das gesamtdeutsche Potential der oberflächennahen Geothermie systematisch darzustellen und die Wärmewende mit einer erweiterten geothermischen Datenbasis zu flankieren, werden im Verbundprojekt Wärmegut unter Beteiligung der Geologischen Dienste oberflächennahe Temperaturlogs, satellitengestützte Temperaturmessungen sowie thermische Gesteinseigenschaften analysiert und in das ursprünglich auf die tiefe Geothermie ausgerichtete Geothermische Informationssystem GeotIS eingebunden. Dieser Beitrag stellt die Methodik vor, die anhand von ca. 2800 Temperaturmessungen an rund 1500 Bohrungen in Rheinland-Pfalz und Baden-Württemberg entwickelt wurde, um das oberflächennahe Temperaturfeld zu ermitteln. Zentrale Herausforderungen ergeben sich aus der Heterogenität der Daten (ungleichmäßige Bohrlochverteilung, qualitative Unterschiede) sowie aus externen Einflüssen auf die Temperaturprofile (z.B. durch Bohrvorgang, Betrieb bei oftmals unbekannter Stillstandzeit). Zur Rekonstruktion ungestörter Untergrundtemperaturen werden physikalisch fundierte Korrekturansätze mit stochastischen Verfahren kombiniert. Insbesondere wird Kriging zur räumlichen Interpolation des Temperaturfeldes eingesetzt. Die Auswertung zeigt, dass oberflächennahe Temperaturen stark durch anthropogene Einflüsse (Wärmeinseleffekt durch Versiegelung) und Topographie geprägt werden. Mit zunehmender Höhe der Geländeoberkante sinken die Temperaturen deutlich. In Regionen mit relativ hohen Datendichten und homogenen geologischen Bedingungen liegt die Standardabweichung in den Abschätzungen typischerweise bei ca. 1K. Auffällige Temperaturanomalien konzentrieren sich im südwestdeutschen Raum – wie erwartet – auf den Oberrheingraben sowie auf lokal klüftige Zonen.

Ein genaues 3D-Temperaturmodell ist eine Voraussetzung für die erfolgreiche Installation oberflächennaher geothermischer Anlagen. Wichtiger Teil der Berechnung dieses Modells ist die Landoberflächentemperatur (LST), da Oberflächentemperaturen bis in die Tiefe von ca. 15 m die Boden- und Gesteinstemperaturen beeinflussen. Für das geothermische Informationssystem GeotIS wurde bisher ein LST-Datensatz des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verwendet, der zwar flächendeckend interpoliert wurde, aber auf einem niedrig aufgelösten Originaldatensatz basiert. Landsat 8 Satellitendaten hingegen haben eine höhere räumliche Auflösung, aber es ist eine Reihe von Schritten erforderlich, um aus den Sensorwerten die Temperaturen zu erhalten. Die LST wurde mit Satellitenbildern berechnet, die zwischen 2013 und 2024 aufgenommen wurden, wobei die Landsat 8 Sensorbänder B4 (RED), B5 (near IR) und B10 (IR) verarbeitet wurden. Die Berechnung erfordert die Anwendung einer Reihe von Gleichungen mit Hilfe eines Verfahrens, das Rasterbilddaten neu kalkulieren kann. Im vorliegenden Fall wurde mit der Software ArcGIS pro gearbeitet.

Der Landsat 8 Datensatz wurde von der Earthexplorer-Sektion der USGS-Website heruntergeladen. Um Deutschland abzudecken, ergibt sich aus den entsprechenden Szenen eine Anzahl von über 9000 Einzelbildern. Die Verarbeitung, die 6 Schritte umfasst, mit denen der Datensatz der Thermalbänder und Metadateninformationen in eine bestimmte Relation gebracht wird, wurde mit der Stapelverarbeitung des ArcGIS Modelbuilders durchgeführt. Für eine zuverlässige LST-Berechnung wurde die Wolkenbedeckung mit den ArcGIS Tools reclassify und clip raster entfernt. Das Endergebnis ist eine hochauflösende (30m x 30m) LST-Karte von Deutschland.

Diese Ergebnisse fließen in die Approximierung des Temperatur-Tiefenprofils von Bohrungen ein mit der Zielstellung, zu untersuchen, ob dies zu einer Beschleunigung des Evaluierungsprozesses dienen kann.