Aufgrund des hohen Versiegelungsgrades, der hohen Gebäudedichte und einem Mangel an Grünflächen ist der Anstieg der Lufttemperatur im Zuge der Klimawandels in Städten extremer ausgeprägt als im ländlichen Umfeld. Die Lufttemperaturdifferenz zwischen Stadt und Land wird als urbane Wärmeinsel (UHI) bezeichnet. Die UHI ist jedoch nicht ausschließlich ein atmosphärisches Phänomen. Hohe Lufttemperaturen führen zu erhöhten Oberflächentemperaturen, die in Kombination mit anthropogenen, unterirdischen Wärmequellen eine UHI im Untergrund aufbauen. Diese Wärmequellen sind Gebäudekeller, Fernwärme- und Abwasserleitungen sowie U-Bahn und Autotunnel.  Das Resultat dieser unterirdischen Wärmeflüsse sind um 3 K bis 7 K höhere Grundwassertemperaturen im städtischen gegenüber jenen im ländlichen Untergrund. Kann dieses enorme Energiepotential nachhaltig genutzt werden, um den Wärmebedarf in Städten zu decken?

Mittels oberflächennaher Geothermiesysteme wird Wärme dem Untergrund entzogen und zur Gebäudeheizung sowie Warmwasseraufbereitung verwendet. Berücksichtigt man die UHI im Untergrund, können die Systeme nachhaltig betrieben werden. Der jährlich anthropogen verursachte Wärmefluss in den Untergrund wird mit einem räumlich aufgelösten Wärmetransportmodel und einer Monte Carlo Simulation berechnet (Benz et al., 2015).  Aus dem anthropogenen Wärmefluss und der im Untergrund gespeicherten Energie resultiert das geothermische Potential. Dieses Potential wird gegen den Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser aufgewogen und aus der Differenz kann die Anzahl der zu installierenden offenen oder geschlossenen geothermischen Systeme abgeschätzt werden. Diese Arbeitsschritte sind in Abbildung 1 dargestellt und werden auf einzelne Wohnblöcke, Stadtviertel oder eine gesamte Stadt angewendet.

Bild  1: Abschätzung des geothermischen Potentials, des anthropogenen Wärmeflusses , des Wärmebedarfs und der Anzahl offener oder geschlossener geothermischer Systeme.

Oberflächennahe Geothermie kann noch effizienter genutzt werden, wenn mit den Anlagen gekühlt und geheizt wird. Die abgeführte Wärme aus den Gebäuden im Sommer, die in den Untergrund eingespeist wird, kann im Winter wieder dem Untergrund entzogen und für die Gebäudeheizung verwendet werden.

Aus den Ergebnissen folgt, dass der Wärme- und Kühlbedarf von Städten mit offenen und/oder geschlossenen Geothermiesystemen nachhaltig über mehrere Jahrzehnte gedeckt werden kann, wenn die UHI des Untergrunds in die Berechnungen mit einbezogen wird.