13. Geothermische Phasenwechselsonden als Wärmeentzugssystem

Für die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie als erneuerbare Energiequelle zur Bereitstellung von Heizwärme im Gebäudebereich existiert eine Vielzahl an unterschiedlichen Wärmeentzugssystemen. Bei allen Systemen sind die thermophysikalischen als auch die materialspezifischen Parameter (Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dichte etc.) u. a. des Erdreiches, des Bohrlochs, des Zementes und der Geothermiesonde oder des Kollektors wichtige Einflussgrößen und müssen in der Planung und Auslegung entsprechend berücksichtigt werden. Ein innovatives und zugleich sehr effizientes Prinzip für den Wärmeentzug aus dem Erdreich stellt eine Anwendung der Fallfilmverdampfung in einem geothermischen Thermosiphon (auch Phasenwechselsonde genannt) in Kombination mit einer Wärmepumpe dar. Erste Anwendungen von Thermosiphons in oberflächennahen Erdschichten datieren aus der Zeit um 1960, z. B. in Alaska, wobei es sich vorwiegend um die Untergrundstabilisierung in Regionen mit Permafrostböden handelte. Das wohl bekannteste Projekt ist die 1977 fertiggestellte Trans-Alaska-Pipeline, welche auf ca. 730 km mit über 122.000 Thermosiphons stabilisiert wird. Seit 1997 wird dieses einfache Prinzip auch in Kombination mit Wärmepumpen zur Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt. In diesem Beitrag werden hierzu die Funktionsweise und die Betriebsbedingungen von geothermischen Phasenwechselsonden mit den Vor- und Nachteilen gegenüber Flüssigkeitszirkulationssonden auf dem neuesten Stand der Forschung sowohl für Anwender als auch für Wissenschaftler umfangreich dargelegt. Dabei werden die ablaufenden Prozesse für verschiedene Betriebsphasen (Start, zyklischer oder dauerhafter Wärmeentzug, Regeneration) u. a. hinsichtlich der Filmausbreitung, der Poolaktivität und einer energetischen Bewertung beschrieben. Abschließend werden kurz zukünftige Forschungsfelder geothermischer Phasenwechselsonden umrissen sowie relevante Perspektiven und Herausforderungen diskutiert.