Im Projekt „EWS.MWCNT“ werden Erdwärmesonden mit verbesserter Wärmeleitung durch Einsatz von Nanomaterialien entwickelt. Ziel ist es, die Effizienz und Nachhaltigkeit der oberflächennahen Geothermie entscheidend zu steigern und damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende zu leisten.
Im Zuge der Diskussion um nachhaltige und klimafreundliche Energiesysteme zur Deckung des Wärme- und Kühlbedarfs von Gebäuden bzw. ganzen Quartieren hat die oberflächennahe Geothermie in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei wird die Möglichkeit genutzt, Erdwärme der oberen Erdschichten (bis zu 200 m) zum Beheizen oder Kühlen von Gebäuden oder technischen Anlagen einzusetzen. Unter Beachtung der geologisch-pedologischen Gegebenheiten und der wasserrechtlichen Voraussetzungen ist Geothermie dabei eine technisch bewährte und zuverlässige Methode zur Nutzung regenerativer Energien.
Um die Systeme effizienter und somit noch nachhaltiger zu gestalten, ist es sinnvoll die unterschiedlichen Komponenten hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit zu optimieren. Durch die Steigerung der Entzugsleistung kann so insbesondere die benötigte Bohrtiefe reduziert werden, wodurch einerseits erhebliche Kosten bei der Anlagenplanung eingespart werden können und sich andererseits neue Nutzungsgebiete erschließen.
Im Rahmen des Forschungsvorhaben „EWS.MWCNT“ arbeiten die Netzwerkpartner SKZ, Gerodur MPM Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Laus GmbH gemeinsam an der Entwicklung eines hocheffizienten Geothermie-Systems auf Basis von herkömmlichen PE100-RC-Rohren und Nanomaterialien. Untersucht wurde dieses Potenzial zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bereits in der ZIM-Durchführbarkeitsstudie RiNuNano, auf der auch das aktuelle Vorhaben basiert. Dabei zeigten sich äußerst vielversprechende Resultate hinsichtlich der Leistungssteigerung, wobei eine beeindruckende Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit um nahezu das Dreifache erzielt wurde.
Zur einfachen, kostengünstigen und doch praxisnahen Performance-Ermittlung von Erdwärmesonden wird im Rahmen des Kooperationsprojekts zusätzlich ein neuartiges Testverfahren entwickelt, welches erstmals auch vergleichende Aussagen ermöglicht. Der Teststand wird dabei auch genutzt, um die entwickelten Sondenrohre hinsichtlich ihrer Performance zu untersuchen und deren weitere Entwicklung zu optimieren.
„Wir wollen nicht nur die Effizienz steigern, sondern durch transparente Prüfmethoden auch die Akzeptanz neuer Materialien erhöhen. Das ist ein entscheidender Schritt für die Marktdurchdringung innovativer Geothermie-Technologien“, sagt Felix Berthold, Projektleiter am Kunststoff-Zentrum SKZ.
Ein wichtiger Aspekt der Erdwärmesondenentwicklung, speziell mit Nanomaterialien, ist das Thema Produktsicherheit. Ein wichtiger Bestandteil bei der geplanten Entwicklung von Erdwärmesonden ist daher auch die Betrachtung ökotoxikologischer Aspekte und möglicher Freisetzungsszenarien sowie die Abschätzung von Auswirkungen auf die belebte Umwelt.
Entsprechend dem 'Safe and Sustainable by Design' (SSbD) framework der Europäischen Kommission soll die zukünftige Produktion von Materialien und Chemikalien durch Lenkung des Innovationsprozesses in Richtung nachhaltiger industrieller Umstellung erfolgen. Dabei sollen die Auswirkungen auf Gesundheit, Klima und Umwelt während der gesamten Lebensdauer von Chemikalien, Materialien und Produkten - von der Beschaffung über die Produktion und Nutzung bis hin zum Ende ihrer Nutzungsdauer - minimiert werden.
Im Projekt EWS.MWCNT werden zur ökotoxikologischen Bewertung zunächst universell anwendbare Testverfahren methodisch entwickelt und dann konsequent eingesetzt. Dabei wird u.a. der Frage nachgegangen, ob (und ggf. in welchem Umfang) Nanomaterialien aus den Produkten freigesetzt werden und welche Sicherheitsmaßnahmen ggf. für den Einsatz in der oberflächennahen Geothermie getroffen werden müssen. Die Erkenntnisse zur akuten und chronischen Toxizität sowie den Freisetzungsszenarien von Nanomaterialien aus Nanokompositen fließen dabei direkt in die Rohrentwicklung ein, sodass das Produkt am Ende nicht nur effektiv sondern auch sicher ist.
Mit der Entwicklung kann die Bohrtiefe sowie der insgesamt benötigte Materialeinsatz der Sonden um bis zu 20 Prozent reduziert werden. Trotz höherer Materialkosten für die PE-CNT-Rohre sinken die Gesamtkosten durch geringere Bohrkosten und einen niedrigeren Ressourcenverbrauch. Geothermie wird damit wirtschaftlich attraktiver und gleichzeitig ökologisch nachhaltiger. „Mit dem Projekt schaffen wir die Grundlage für effizientere und kostengünstigere Geothermie-Anlagen und leisten einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung und zur Erreichung der Klimaziele in Deutschland“, so Berthold.
Ergänzend ermöglicht die gezielte Einstellung der thermischen Leitfähigkeit eine standort- und bedarfsgerechte Auslegung von Erdwärmesonden – ein weiterer Schritt hin zu effizienteren und nachhaltigen Geothermie-Systemen.Die geringere Bohrtiefe eröffnet zudem neue Einsatzmöglichkeiten in Regionen, die bislang aus geologischen Gründen als ungeeignet galten. Dies erleichtert einen breiteren Einsatz der Geothermie und stärkt ihren Beitrag als verlässliche erneuerbare Energiequelle.
Dieses Projekt wird im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) mit dem Förderkennzeichen 16KN102921 vom 1. Dezember 2024 bis 31. Mai 2027 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
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