Geothermie

Für die Wärmeversorgung von Gebäuden oder ganzen Quartieren kann je nach geologischen Voraussetzungen die Geothermie eine geeignete erneuerbare Energiequelle darstellen. Dabei ist zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie zu unterscheiden. Oberflächennahe Geothermie nutzt den Untergrund bis zu einer Tiefe von etwa 400 m und Temperaturen von bis zu 25 °C, um Gebäude, technische Anlagen oder Infrastruktureinrichtungen zu heizen und zu kühlen. Dabei wird Wärme- oder Kühlenergie aus den oberen Erd- und Gesteinsschichten oder dem Grundwasser gewonnen.

Die tiefe Geothermie nutzt Lagerstätten, die über 400 m unter Geländeoberkante erschlossen werden. Die Reservoirtypen sind hier im Prinzip die gleichen wie bei der oberflächennahen Geothermie. In der tiefen Geothermie unterscheidet man darüber hinaus zwischen Hochenthalpie- und Niederenthalpielagerstätten. Diese Unterscheidung ist über die Temperatur definiert.

Erdwärme­sonden

Hierzulande sind Erdwärmesonden die am weitesten verbreiteten Form der Geothermie. Dabei handelt es sich um senkrechte Bohrungen, in die normalerweise Doppel-U-Rohre aus Polyethylen eingelassen und durch ein Zement-Bentonit-Suspension fest verankert werden. Dieses Gemisch verbessert die Bodenleitfähigkeit und verhindert eine Durchmischung der verschiedenen Erdschichten. Baustoffhersteller bieten thermisch optimierte Trockenmörtel für die Einbringung der Erdwärmesonden an. Für eine Erdwärmesonde werden zwischen 1.000 kg und 2.000 kg Zement benötigt. Die Rohre sind mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt, üblicherweise Wasser mit einem speziellen Frostschutzmittel, das die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und zur Wärmepumpe an der Oberfläche transportiert. Die Sonden werden normalerweise in Tiefen von 50 bis 160 m installiert, wobei ein bis zwei Bohrungen ausreichen, um ein Einfamilienhaus zu beheizen. Sogar ganze Wohngebiete können auf diese Weise versorgt werden. Mit einem Durchmesser von etwa 12 cm ist ihr Flächenverbrauch sehr gering.

Erdberührte Betonbau­teile und Energie­pfahl

Betonbauteile und Energiepfahl Betonbauteile bzw. Gründungspfähle lassen sich nicht nur als tragendes oder architektonisches Element einsetzen, sondern auch zu Heiz- und Kühlzwecken. Dafür werden bei der Errichtung des Gebäudes Wärmetauscherrohre in den Beton eingebracht. Für diese Technologie hat sich der Begriff „Energiepfahl“ durchgesetzt. Der wirtschaftliche Vorteil ergibt sich vor allem daraus, dass bereits eingeplante Bauteile genutzt werden und damit der Mehraufwand relativ gering ist. Insbesondere bei großen Bürogebäuden kommen Energiepfähle zum Einsatz.

Windkraft­anlagen

Keine Windenergie ohne Zement und Beton: Auch hier kommen die Baustoffe an verschiedenen Stellen zum Einsatz, etwa in den Fundamenten von Windenergieanlagen an Land und auf dem Meer oder beim Stromtransport. Moderne Windenergieanlagen nutzen in verschiedener Hinsicht die Vorteile des Stahlbetons. So werden insbesondere bei großen Anlagen die Türme aus Stahl-, bzw. Spannbeton gebaut. Sie sind zwar dicker und schwerer als Stahltürme. Doch im Gegensatz zu reinen Stahlkonstruktionen weisen sie günstigere Schwingungseigenschaften auf und reduzieren so die Schallemissionen. Betontürme werden oft am Standort selbst gebaut. Sie können aber auch aus vorgefertigten Segmenten als Spannbetonturm zusammengesetzt werden. Bei sehr hohen Nabenhöhen eignen sich auch Hybridtürme aus Beton- und Stahlsegmenten.

Eine wichtige Rolle sowohl bei Onshore- als auch Offshore-Anlagen spielen die Betonfundamente. Sie sichern die Standfestigkeit der Anlagen und leiten alle Lasten, die aus dem Windrotor und der Eigenbewegung kommen, in den Erdboden weiter. Bei Windenergieanlagen an Land ist das Schwerkraftfundament mit Flachgründungen am weitesten verbreitet. Ein gewöhnliches Fundament inklusive Turmbasis benötigt in etwa 1.000 m3 Stahlbeton. Bei weichem Untergrund werden alternativ Pfahlgründungen eingesetzt. Offshore-Fundamente können aus Beton sowie aus Stahlpfeilern oder Mehrbeinstrukturen bestehen. Bewährt haben sich Schwerkraftgründungen aus Betonsenkkästen. Dabei werden die Anlagen durch das Gewicht des Fundamentes am Meeresboden fixiert. Diese Senkkästen werden an der Küste in einem Trockendock aus Stahl und Beton gebaut, zum Errichtungsstandort per Schiff hinausgezogen und nach dem Absenken auf den Meeresboden mit Kies und Sand gefüllt. Auch beim Transport der erzeugten Energie von den Offshore-Anlagen an Land spielt Beton eine wichtige Rolle. Schwerbeton findet bei der Ummantelung von Leitungen und zur Auftriebssicherung von Rohrleitungen und Unterwasserkabeln Verwendung.

Leitungsummantelung / Offshore-Anlagen

Auch im Offshore-Sektor ist ohne Beton nur ein schweres Auskommen möglich. Eine nicht unerhebliche Rolle spielt da der Schwerbeton. Dieser findet Verwendung in der Ummantelung von Leitungen, zur Auftriebssicherung für Rohrleitungen und Unterwasserkabel und Ballastierung (Fundamente) der Windenergieanlagen.

Dabei punktet der Beton mit:

Masse: Schwerbeton erhöht das Gewicht der Struktur, was dazu beiträgt, dass sie sicher auf dem Meeresboden bleibt, auch bei starken Strömungen und anderen Umweltbelastungen.

Dichtigkeit: Beton ist im Allgemeinen korrosionsbeständig und bietet daher Schutz für die darunterliegenden Materialien, insbesondere im salzigen Meereswasser.

Festigkeit: Die Ummantelung von Leitungen und anderen Unterwasserstrukturen mit Beton bietet auch Schutz vor äußeren Einflüssen wie Ankerabrieb.

Langlebigkeit: Beton ist ein robustes Material und hat eine hohe Nutzungsdauer.

Einbaubarkeit: Unterwasserbetone können einfach eingebaut werden und passen sich dem zu schützenden Bauteil ideal an.

Beton für die Kraftwerksstrategie

Die Kraftwerksstrategie der Bundesregierung adressiert die Herausforderungen, die sich aus dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien und dem Ausstieg aus der Kernenergie sowie der Kohleverstromung ergeben.

  • Dekarbonisierung des Energiesektors: Bedeutet, dass der Anteil fossiler Energieträger (Kohle, Öl, Gas) schrittweise durch erneuerbare Energien ersetzt werden muss.
  • Sicherstellung der Versorgungssicherheit: Auch bei einem hohen Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien (Wind und Solar) muss die Versorgungssicherheit gewährleistet bleiben. Dies erfordert flexible und zuverlässige Kraftwerkskapazitäten.
  • Förderung erneuerbarer Energien: Der Ausbau von Wind- und Solarenergie wird massiv vorangetrieben. Diese Energiequellen sollen in der Zukunft den größten Teil der Stromversorgung übernehmen.
  • Modernisierung der Netze & Systemintegration: Die Stromnetze müssen modernisiert und ausgebaut werden, um die dezentral erzeugte Energie effizient zu transportieren. Darüber hinaus ist die Integration von Smart Grids und digitaler Technologie entscheidend, um das Stromsystem flexibel und anpassungsfähig zu gestalten.

Übergangs­techno­logien

Trotz des Ausbaus der erneuerbaren Energien werden absehbar Gaskraftwerke benötigt, um das Stromsystem zu stabilisieren. Diese stellen die Kraftwerksreserve dar – also zuschaltbare Kraftwerke, falls nicht ausreichend Energie aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt werden kann. Vorgabe ist aber, diese auf Wasserstoff umzustellen, sofern dieser verfügbar sein wird. Für den Bau der 10 GW Gaskraftwerksreserven, die auf grünen Wasserstoff umstellbar sein sollen, wird eine beträchtliche Menge an Beton benötigt. Denn unabhängig von der Bauweise gibt es keine Gaskraftwerke, die ohne Stahlbeton errichtet werden können.

Speicher­techno­logien

Speicherkraftwerke sind zuschaltbare Kraftwerke, welche die Spitzen des erzeugten erneuerbaren Stroms aufnehmen. Schon heute produzieren wir bei idealen Voraussetzungen deutliche Überkapazitäten, die nicht aufgenommen und derzeit auch nicht über das Netz an andere Stellen verlagert werden können. Aktuell heißt das, dass bei idealen Windbedingungen die Windenergieanlagen abgeschaltet werden müssen, um das Netz nicht zu überlasten. Genau diese Energie gilt es zu speichern und dann abzurufen, wenn sie benötigt wird. Innovative Bauweisen aus Beton schaffen hier Abhilfe. Als Musterbeispiel gelten Kombinationen aus Windkraft- und Pumpspeicheranlagen. Zu finden ist solch eine Anlage in Gaildorf bei Stuttgart. Die vier Windenergieanlagen mit einem Rotordurchmesser von 137 m wurden auf Wassertürmen gebaut. Diese wiederum sind mit einem rund 200 m tiefer gelegenen See über ein Pumpspeicherwerk verbunden. Ziel des Systems ist es, durch die Kombination von klassischer Energieerzeugungs­technik und Speichertechnik überschüssige Energien in großen Mengen dezentral und umweltfreundlich zu speichern. Die Windparktürme mit einer Nabenhöhe von bis zu 40 m wurden mit Fertigteilen aus Beton modular aufgebaut. In den Sockeln der Türme befinden sich große Wasserbecken aus Beton. Die Becken der Windparktürme wiederum sind durch Druckrohre mit einem tiefer gelegenen Becken verbunden. In Zeiten mit hohem Energiebedarf wird der erzeugte Strom direkt ins Stromnetz eingespeist. In Zeiten von Überkapazität wird die überschüssige Energie jedoch dafür genutzt, Wasser aus dem Unterbecken direkt in die Becken der Windparktürme hochzupumpen. Auf diese Weise lässt sich Energie speichern, die in Zeiten mit hohem Energieaufkommen wieder abgerufen werden kann. Der Vorteil des Systems besteht darin, dass es weniger Raum in Anspruch nimmt als ein herkömmliches Pumpspeicherwerk und deshalb an verschiedensten Stellen eingesetzt werden kann.

Schwer­kraft­speicher

Ein ähnliches Prinzip machen sich die sogenannten „Schwerkraftspeicher“ zunutze. Ein Schweizer Technologie­unternehmen hat einen innovativen Ansatz zur Speicherung überschüssiger Energie entwickelt, der auf einem simplen physikalischen Prinzip basiert, ähnlich einem Wasserkraftwerk. Ihr Schwerkraftspeicher besteht hauptsächlich aus Betonblöcken, Kränen und Generatoren. Ein erster Prototyp wurde in Bellinzona, Schweiz, fertiggestellt. Der Schwerkraftspeicher ähnelt optisch zwei verschwenkten Turmdrehkränen. Diese sind mit insgesamt 5.000 Betonblöcken mit einem Gewicht von insgesamt 35 t ausgestattet. Der Schwerkraftspeicher nutzt ein ähnliches Prinzip wie das Pumpenspeicherwerk. Überschüssige Energie wird genutzt, um die Betonblöcke in die Höhe zu heben. Später kann diese Latenzenergie durch Herablassen des Gewichts wieder nutzbar gemacht werden. Das System kann bis zu 80 MWh speichern, hat eine kurze Latenzzeit und erfordert keine spezielle Umgebung. Die Betonblöcke werden aus umweltverträglichem Material hergestellt und können recycelt werden. Die lange Lebensdauer des Schwerkraft­speichers von 30 bis 60 Jahren könnte eine bedeutende Rolle in der Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen spielen

Beton-Kugeln im Offshore-­Einsatz

Beton-Kugeln im Offshore-­Einsatz

Eine weitere Möglichkeit, Energie mithilfe von Beton zu speichern, wurde bereits unter dem Projektnamen Stensea (Stored Energy in the Sea) am Bodensee erprobt. Dabei handelt es sich um ein neuartiges Pumpspeicherkraftwerk. Hierbei wird ein Gewässer als oberes Speicherreservoir genutzt. Das untere Speicherbecken wird durch verschiedene Hohlkörper auf dem Gewässergrund gebildet, die im Pumpbetrieb mit Ladestrom leergepumpt werden, wodurch ein Vakuum entsteht. Im Entladebetrieb…

Beton-Kugeln im Offshore-­Einsatz

Eine weitere Möglichkeit, Energie mithilfe von Beton zu speichern, wurde bereits unter dem Projektnamen Stensea (Stored Energy in the Sea) am Bodensee erprobt. Dabei handelt es sich um ein neuartiges Pumpspeicherkraftwerk. Hierbei wird ein Gewässer als oberes Speicherreservoir genutzt. Das untere Speicherbecken wird durch verschiedene Hohlkörper auf dem Gewässergrund gebildet, die im Pumpbetrieb mit Ladestrom leergepumpt werden, wodurch ein Vakuum entsteht. Im Entladebetrieb wird das Vakuum über eine Turbine zum Generatorantrieb wieder mit Wasser gefüllt.

Biogasanlagen

Die Produktion von Biogas ist eine weitere Möglichkeit, erneuerbare Energien zu erzeugen. Die Stromerzeugung aus Biomasse kann dezentral erfolgen und der gewonnene Energieträger ist im Gegensatz zu den meisten anderen erneuerbaren Energien speicherbar. Bei der Stromerzeugung entsteht auch Wärmeenergie, die zur Beheizung von Wohngebäuden und Gewerbeanlagen eingesetzt werden kann. Außerdem kann aufbereitetes Biogas ins Erdgasnetz eingespeist werden. Derzeit speisen bereits ca. 250 Anlagen Biomethan ins Erdgasnetz.

Für die Erzeugung von Biogas können Abfallprodukte aus dem Ackerbau und der Tierhaltung wie zum Beispiel Gülle und Festmist oder Gemüseabfälle, Grüngut und Bioabfall verwertet werden. Für den künftigen Anlagenzubau ist eine Bevorzugung derartiger Anlagen zu erwarten. Darüber hinaus werden bisher überwiegend nachwachsende Rohstoffe wie zum Beispiel Mais vergoren. Durch die Vergärung der verwendeten Materialien werden organische Stoffe wie Fette oder Eiweiße in niedermolekulare Bausteine abgebaut. Hierbei entsteht das methanhaltige Biogas, welches in Blockheizkraftwerken direkt in elektrische Energie und Wärmeenergie umgewandelt werden kann. Alternativ kann das gewonnene Gas nach einem entsprechenden Aufbereitungsprozess in das Erdgasnetz eingespeist oder als Treibstoff für gasbetriebene Fahrzeuge verwendet werden.

Planungshilfe Biogasanlagen aus Beton

Einsatzbereiche von Beton
Der Baustoff Beton wird bei Biogasanlagen beim Bau der Betriebsgebäude, Gärfutter-Flachsilos und im Behälterbau verwendet. Dies können zum einen die Vorlagebehälter zum Sammeln von Gülle und zum Einmischen von Cofermentaten sein. Darüber hinaus wird Beton insbesondere für den Bau von Fermentern und Nachgärern sowie für die Gärrestlager eingesetzt. Für alle Größen von Biogasanlagen eignen sich sowohl Stahlbetonbehälter in Ortbetonbauweise als auch Spannbetonbehälter in Betonfertigteilbauweise. Möglich sind sowohl Hoch- als auch Tiefbehälter.

Stromnetze

Mit der Nutzung erneuerbarer Energien geht der Ausbau der Energieinfrastruktur einher. Denn der so erzeugte Strom muss über neue Hochspannungsleitungen zu den Verbrauchern gebracht werden. Da überirdische Stromtrassen vielerorts auf Ablehnung stoßen, stellen unterirdische Kabeltrassen eine Alternative dar, auch wenn diese deutlich teurer sind. Verfüllt werden die Ausgrabungen oft mit sogenanntem Flüssigboden, ein zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff aus Böden und Baustoffen (ZFSV). Dieser besteht aus einem Mix von ca. 95 % des anfallenden Erdaushubs und einem bestimmten Mischungsverhältnis von Tonmineral und Zement. Die Verwendung des anfallenden Erdaushubs verhindert unnötige Transporte und schont Ressourcen. Vor Ort wird das Material gesiebt, gemischt und über Mischfahrzeuge eingebracht.

Die Vorteile des Flüssigbodens sind seine gute Einbaufähigkeit, die homogene Einbettung der Rohre ohne Lufteinschlüsse und über die Zugabe spezieller Komponenten eine genau definierbare Wärmeleitfähigkeit, die für den Abtransport der Kabelwärme sorgt.

Vorteile von Flüssigboden:

  • Verfüllung zeit- und kostensparender gegenüber Füllboden
  • Optimale Verdichtung auch unterhalb von Leitungspaketen zur Vermeidung von Schäden durch Setzung
  • Verhindern späterer Nachsetzungen von Grabenverfüllungen
  • Schneller Baufortschritt bei geringerem Personaleinsatz
  • Optimierung der Arbeitsräume und schmalere Leitungsgräben möglich
  • Verbesserte Wärmeleitfähigkeit

Dabei unterliegt der Flüssigboden hohen Qualitätsanforderungen, die durch Prüfungen sichergestellt werden.

Energie­sparend Bauen. Mit Beton.

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