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Die Energie der Erde nutzen

Geothermie ist eine erneuerbare Energiequelle, die – anders als Sonne und Wind – stets eine konstante Energiemenge zur Verfügung stellen kann. Wissenschaftler der Hochschule Ostwestfalen-Lippe und der TU Darmstadt erforschen im Projekt „Optimog“, wie Erdwärmebohrungen optimiert werden können – damit die Geothermie künftig einen größeren Beitrag zur Energiewende leisten kann.

In vielen Haushalten laufen bereits die Heizungen. Rund 60 Prozent der in Deutschland benötigten Energie werden für die Wärmeerzeugung aufgewendet, wovon etwa 45 bis 50 Prozent auf die Raumheizung entfallen – so das Ergebnis einer Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Wissenschaftler des Fachgebietes Geotechnik und Geothermie der Hochschule OWL arbeiten seit 15 Jahren daran, dass diese Wärme über Geothermie aus der Erde bezogen wird. „Derzeit werden rund 30 Prozent der Neubauten in Deutschland mit Geothermie-Anlagen ausgestattet. Das ist ein erster Erfolg, könnte aber noch deutlich mehr sein“, sagt Fachgebietsleiter Professor Lutz Müller. Ein Hinderungsgrund: In den vergangenen Jahren seien die behördlichen Auflagen für die Genehmigung solcher Anlagen immer strenger geworden; Stichwort sei vor allem der Grundwasserschutz. Deshalb besteht weiterer Forschungsbedarf, dem sich das Team von der Hochschule OWL in Höxter gemeinsam mit Kollegen der TU Darmstadt in einem Verbundprojekt widmet. Der Titel des im Juli 2017 gestarteten Vorhabens: „Entwicklung von Verfahren zur Optimierung der Hinterfüll- und Sondenmaterialien für die oberflächennahe Geothermie − Optimog“.

Hohe Anforderungen an die Baustoffe

Bei der oberflächennahen Geothermie werden Bohrungen bis zu einer Tiefe von 400 Metern in die Erde abgeteuft. In diese werden Sonden eingeführt. Dieses Rohrsystem aus Kunststoff bringt mit Hilfe von Wasser und einer Wärmepumpe die Wärme aus dem Erdreich an die Oberfläche. Dem Wasser ist häufig Frostschutzmittel beigemischt, um Betriebstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes zu ermöglichen. Der Ringraum der Bohrlöcher rund um die Sonden wird anschließend wieder verfüllt – mit einem Baustoff aus Zement und weiteren Zutaten, der in flüssiger Form eingefüllt wird. Wenn er ausgehärtet ist, dichtet er das Bohrloch ab, damit beispielsweise auch bei einem Leck der Rohre kein Frostschutzmittel ins Grundwasser gelangt. Dieser abdichtende Baustoff muss eine Menge aushalten: Er steht stellenweise dauerhaft im Wasser, ist Temperaturschwankungen ausgesetzt bis hin zum Frost, denn wenn dem Erdreich stetig Wärme entzogen wird, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass der Boden friert. Trotzdem muss der Baustoff langzeitbeständig sein, da er nach dem Aufbau einer Geothermie-Anlage nicht mehr ausgetauscht werden kann.

Aus dem Labormaßstab in die Realität

Untersuchungen der Höxteraner Geothermie-Forscher haben in den vergangenen Jahren gezeigt, dass die bisher verwendeten Baustoffe diesen Herausforderungen nicht alle ausreichend gewachsen sind: „Ich habe schon verschiedene Baustoffe, die bereits für die Nutzung zugelassen waren, untersucht und festgestellt, dass diese nicht frostbeständig sind. Sie bekamen Risse oder wurden porös“, sagt Professor Müller. Um nicht nur die Baustoffe, sondern das gesamte System aus Bohrung, Sonde und Baustoff untersuchen zu können, ist in Höxter im Rahmen einer Promotion ein Prüfstand entstanden. Dieser wird nun innerhalb des neuen Forschungsprojektes weiterentwickelt. An diesem Versuchsstand soll künftig auch die Wärmeleitfähigkeit der Baustoff-Proben untersucht werden – im bisherigen Aufbau lässt sich vor allem die Wasserdurchlässigkeit testen. Zusätzlich denken die Wissenschaftler jetzt in größeren Dimensionen. Dabei wird ein so genannter Technikumsversuchsstand entstehen, der die Realität abbildet und das System Bohrung, Sonde, Baustoff um die Komponente des Bodens erweitert.

Die Energiewende mitgestalten

An der Hochschule OWL ist durch das neue Projekt eine Doktorandenstelle eingerichtet worden. Jan-Henrik Kupfernagel arbeitet nun an seiner Promotion, die von Professor Lutz Müller von der Hochschule OWL und Professor Ingo Sass von der TU Darmstadt gemeinsam betreut wird. Kupfernagel ist Absolvent des Masterstudiengangs Umweltingenieurwesen und Modellierung an der Hochschule OWL und hat sich bereits in seiner Studienabschlussarbeit mit dem Themenfeld der Geothermie befasst. „Mit dem nun gestarteten Projekt leisten wir hier in Höxter einen weiteren Beitrag, die Umwelt zu schützen und die Energiewende zu gestalten“, begründet Kupfernagel die Entscheidung für sein Promotionsthema. Auch Studierende des Umweltingenieurwesens sind in die Untersuchungen eingebunden. Gefördert wird das Projekt für drei Jahre mit insgesamt etwa 800.000 Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Die Hochschule OWL erhält rund 300.000 Euro.

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