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Advanced materials and processes to improve performance and cost-efficiency of Shallow Geothermal systems and Underground Thermal Storage

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Neue Werkstoffe für (kosten)effiziente geothermische Energiesysteme an Gebäuden

Nicht Wind und Sonne sind die Zukunft: Schon bald könnte jedes Haus Wärme direkt aus dem Boden unter ihm entnehmen, denn die EU fördert Bemühungen, die Kosten für oberflächennahe geothermische Systeme zu senken.

Energie

Wenn es um Möglichkeiten erneuerbarer Energie geht, fallen einem meist zuerst Solarpaneele als Energiequellen ein. Doch es gibt einen Außenseiter, der in diesem Sektor immer stärker auf sich aufmerksam macht: geothermische Energie. Mit fast 4 Mio. EUR Förderung von der EU will GEOCOND dieses schlafende Potenzial ausschöpfen. Das Projektkonsortium arbeitet seit Mai 2017 an oberflächennahen geothermischen Systemen (SGES) für Gebäude, was angesichts der verlockenden Möglichkeiten mehr als sinnvoll scheint. „Diese Systeme haben äußerst interessante Eigenschaften. Sie werden mit Strom betrieben (Wärmepumpe), bieten den höchstmöglichen Wirkungsgrad (praktischste Wärmequelle) und können gleichzeitig Heizung, Kühlung und Warmwasser bedienen. Außerdem lassen sie sich leicht in Gebäude integrieren, können mit anderen erneuerbaren Wärme- oder Stromquellen verknüpft werden und stellen eine bewährte und robuste Technologie mit den niedrigsten Wartungs- und Instandhaltungskosten dar“, sagt Javier Urchueguia, Professor an der Polytechnischen Universität Valencia und Koordinator von GEOCOND. Es gibt nur ein Problem. Bisher haben sich kaum Endverbraucher für diese Systeme interessiert, unter anderem aufgrund der hohen Anschaffungskosten. GEOCOND ist eines von mehreren Projekten, die dieses Hindernis ausräumen wollen und dazu für den zukünftigen Einbau der oberflächennahen geothermischen Systeme vor allem neue Materialien entwickeln. „Traditionell werden bei oberflächennahen geothermischen Systemen bisher Werkstoffe wie PE-100 verwendet, die eigentlich gar nicht für solche Anwendungen gedacht sind. Das deutet schon darauf hin, dass ihr Einsatz an dieser Stelle alles andere als optimal ist. Die großen Kunststoffhersteller hatten kein Interesse an der Produktion neuer Werkstoffverbunde, vielleicht weil der Markt noch immer eine Nische ist. Genau darum ist eine Initiative wie GEOCOND notwendig geworden“, erklärt Urchueguia. Die Forschung in GEOCOND dreht sich um vier Kernelemente von oberflächennahen geothermischen Systemen: Kunststoffrohre mit verbesserter Leitfähigkeit, Vergussmittel mit erweiterten Funktionalitäten für verschiedene Abmessungen, neue Werkstoffe zur Wärmespeicherung sowie neue Werkstoffe, die die Wärmeübertragungsleistung des umgebenden Bodens steigern. Das Projekt kann jetzt, im letzten Jahr seiner Laufzeit, bereits eine vielversprechende Ergebnisliste vorweisen. Unter anderem hat das Konsortium eine neue Geometrie zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades vorgestellt sowie einen neuen Algorithmus für die Werkstoffoptimierung unter Berücksichtigung thermischer, energetischer und ökonomischer Variablen.

Höhere Leitfähigkeit bei geringeren Kosten

Die neuen Kunststoffverbunde des Projekts vervielfachen die Leitfähigkeit des PE-100 um den Faktor drei, wobei die mechanischen Eigenschaften und andere kritische Spezifikationen im Hinblick auf Schweißbarkeit und Handhabbarkeit erhalten bleiben. „Auch für andere Geometrien, wie Koaxialsonden, wurden neue Kunststoffe entwickelt“, so Urchueguia. „Außerdem konnten wir eine neue Familie von Vergussstoffverbunden mit verbesserten Spezifikationen herstellen, die unter realen Bedingungen geprüft wurden und deren Eigenschaften sich hervorragend steuern ließen. Und wir haben ein verbessertes System von Mischungen von Verguss- und Phasenwechselmaterialien entwickelt, um die Wärmespeicherung im Boden bei verschiedenen Temperaturen zu ermöglichen.“ Jetzt konzentriert sich das Projektteam auf seine drei Pilotanlagen, die bald in Betrieb gehen sollen. Um als Erfolg zu gelten, müssen diese Anlagen kritische Informationen liefern, die die Vorteile von GEOCOND im Hinblick auf niedrigere Kosten und einen höheren Wirkungsgrad von oberflächennahen geothermischen Systemen nachweisen. „Die Unternehmen im Konsortium haben Interesse daran, die Nutzung der GEOCOND-Technologien weiter zu verfolgen, da diese – besonders die Vergussmaterialien und Kunststoffe – einen recht hohen Technologie-Reifegrad aufweisen. Ein Nachfolgeprojekt in größerem Maßstab von einem oder einem anderthalben Jahr könnte schon ausreichen, um die erforderliche Marktreife für diese Produkte zu erreichen“, so Urchueguia abschließend. Gemeinsam mit weiteren Projekten, die an anderen Problemen der oberflächennahen geothermischen Systeme arbeiten – wie mangelnder Ausbildung, unangemessener Gesetzgebung und sonstigen technischen Schranken – ist GEOCOND auf einem guten Weg, als Schlüsselakteur die geothermische Energie für Neubauten in Europa zu demokratisieren.

Schlüsselbegriffe

GEOCOND, oberflächennahe geothermische Systeme, geothermische Energie, Gebäude, neue Werkstoffe, PE-100, Leitfähigkeit, Pilotanlagen

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