Oberflächennahe Geothermie

Die oberflächennahe Geothermie ist die Nutzung der Erdwärme von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 400 Metern. Sie hat sich fest am Markt etabliert. Heute gewinnen über 400.000 Anlagen der oberflächennahen Geothermie in Deutschland eine thermische Leistung von etwa 4.400 Megawatt zu Heiz- und Kühlzwecken (BVG, 2019). Die Anlagen sind ein bunter Mix aus Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren, Grundwasserbrunnen, Luftwärmepumpen und Energiepfählen. Sie alle nutzen eine angeschlossene Wärmepumpe im Gebäude, um die Wärme, die sie der Umwelt (Erde, Grundwasser oder Luft) entzogen haben, in Heizwärme umzuwandeln. Mit einer Kilowattstunde Strom, die die Wärmepumpe benötigt, gewinnen die Anlagen 3 bis 6 Kilowattstunden thermische Energie. Daher sind sie ein sehr umweltfreundlicher und mit zunehmender Betriebslaufzeit sehr günstiger Wärme- und Kältelieferant. Seit Anfang des Jahres sind die staatlichen Fördermittel in Deutschland für die oberflächennahe Geothermie noch einmal gestiegen.

Dies ist ein Einführungsvideo in die oberflächennahe Geothermie:

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Die Wärmepumpe

Die Wärmepumpe überträgt die Wärmeenergie der Umwelt ins Heizsystem des Hauses. In ihrem Rohrsystem befindet sich ein Kältemittel mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur (Abbildung 1). Durch die Aufnahme der Erdwärme verdampft das Kältemittel zu Kältemitteldampf und strömt als Gas zu einem elektrisch betriebenen Verdichter. Der Verdichter verdichtet das Gas und erhöht so seine Temperatur. Anschließend strömt das dichte, heiße Gas zum Kondensator, an den das Heizungsrohr angeschlossen ist, und gibt daran seine Wärme ab. Dadurch kondensiert der abgekühlte Kältemitteldampf, das Kältemittel wird wieder flüssig. Das dichte Kältemittel strömt zu einem Expansionsventil, das den Flüssigkeitsdruck reduziert. Dadurch entspannt sich das Kältemittel, kühlt stark ab und strömt zurück zum Verdampfer, wo es wieder die Erdwärme aufnimmt und der Kreislauf von Neuem beginnt.

Abbildung 1: Eine Wärmepumpe besteht aus einem geschlossenen Rohrsystem, das mit einem Verdampfer, Verdichter, Kondensator und dem Expansionsventil konstant die Wärme der Umwelt zur Heizung überträgt. Die Punkte stehen für Flüssigkeit, die Striche für Gas. Das Farbspektrum spiegelt die verschiedenen Temperaturen wider (rot = sehr warm; blau = sehr kalt). Quelle: WOLF GmbH, youtube-Video https://www.youtube.com/watch?v=rjHtvYPqZFY

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Und hier noch mal als Video:

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Erdwärmesonden

Erdwärmesonden sind die häufigsten Anlagen oberflächennaher Geothermie in Mittel- und Nordeuropa (Abbildung 2). Sie bestehen meistens aus einem Doppel-U-förmigen Rohrsystem, das senkrecht in den Untergrund abgeteuft wird. Für Wohnhäuser reicht meist eine Bohrtiefe von 50 bis 160 Metern aus. Ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel wird durch die Rohre gepumpt und vom Erdreich erwärmt. Die erwärmte Flüssigkeit strömt zur Wärmepumpe an der Erdoberfläche. Anschließend wird die abgekühlte Flüssigkeit in der Erdwärmesonde wird wieder in den Untergrund gepumpt, wo das Erdreich sie erneut aufwärmt.

Abbildung 2: Eine Erdwärmesonde wird senkrecht ins Erdreich bis in eine Tiefe von einigen hundert Metern abgeteuft. Quelle: inHaus GmbH, youtube-Video https://www.youtube.com/watch?v=jtaSRAfseig

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Pro 100 Meter Sonde werden etwa 5 kW Energie erzielt. Der Flächenverbrauch einer Sonde ist mit 12 Zentimetern Durchmesser sehr gering. 10 Meter sollte man immer tief bohren, damit die Untergrundtemperatur unabhängig vom Wetter bleibt.

Zur Beheizung mehrerer Gebäude oder eines Wohnviertels (ab einer Entzugsleistung von 30 kW bzw. 600 Bohrmetern) wird ein Erdwärmesondenfeld installiert. Es besteht aus vielen Erdwärmesonden, die im selben Abstand längs und in der Breite angeordnet sind. Um die exakt benötigte Bohrmeterlänge der Sonden zu bestimmen, die der größte Kostenfaktor ist, wird der Untergrund im Vorfeld des Einbaus auf seine geothermischen Eigenschaften untersucht. Diese können auch bei derselben Gesteinsart regional sehr schwanken. Zudem weisen verschiedene Gesteinsarten sehr unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten auf.

Zur Bestimmung der geothermischen Eigenschaften wird ein Thermal-Response-Test durchgeführt. Dabei wird eine definierte Wassermenge über einen festen Zeitraum (meist 72 Stunden) über die Sonde auf das umgebene Gestein übertragen und seine Antwort (thermal response) gemessen. Nach etwa 11 Stunden dringt die Wärme ins ungewärmte Nebengestein ein und regt es zu einer Temperaturantwort an. Die Messkurven lassen Rückschlüsse auf die Temperatur, die Wärmeleitfähigkeit und den sogenannten Bohrlochwiderstand des Nebengesteins zu. Die letzten beiden geben an, wie gut die Wärme vom Erdreich zur Sonde fließt. Alle drei Parameter sind wichtige Eingangsgrößen für Simulationsmodelle, die die Wärmeverteilung im Untergrund mit fortlaufender Betriebsdauer berechnen.

Um Bahngleise im Winter frostfrei zu halten, werden vermehrt Erdwärmesonden eingesetzt, dessen Wärmeträger flüssiges CO2 ist. Die Wärme, die die Sonde vom Erdreich aufnimmt, senkt den Druck des flüssigen CO2 so stark ab, dass es schließlich verdampft und als Gas zur Wärmepumpe aufsteigt. Durch die Wärmeabgabe wird das CO2 wieder flüssig und sinkt nach unten ab, wo es wieder aufgewärmt wird, verdampft und als Gas aufsteigt und so weiter. Die tiefste CO2-Erdwärmesonde ist 250 Meter tief und befindet sich bei Triberg im Schwarzwald.

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Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren funktionieren nach derselben Funktionsweise wie Erdwärmesonden, nur ist ihr Einbau im Untergrund nicht vertikal, sondern horizontal in einer Tiefe zwischen 80 und 160 Zentimetern (Abbildung 3). Der Einbau ist viel günstiger und die Verlegung sehr einfach. Bei Neubauten müssen die Baumaschinen sowieso das Erdreich in dieser Tiefe ausheben.

Abbildung 3: Erdwärmekollektoren werden horizontal in flacher Tiefe ausgelegt. Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien e.V., youtube-Video https://www.youtube.com/watch?v=zfNBROomh0Q

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Der saisonale Einfluss auf Erdwärmekollektoren ist hoch. Die Bodentemperatur erhöht sich durch eindringendes Regenwasser genauso wie durch Sonneneinstrahlung. Daher sind feuchte Böden, wie z. B. eine Rasenfläche, besser für den Einbau geeignet als trockene Böden oder bebaute oder überdachte Flächen.

Erdwärmekollektoren, die in feuchten Böden installiert wurden, erreichen eine Leistung von bis zu 35 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Für die Beheizung eines 100m²-Neubaus reicht eine Leistung von 20 W/m² aus, wenn die Bodenfläche von etwa 200 m² beträgt. Also braucht man etwa doppelt so viel Fläche wie die des Fünfmeterraums beim Fußball (100,76 m²), der übrigens nicht 5 Meter weit ins Spielfeld ragt, sondern 5,50 Meter! Ich muss zugeben, das habe ich lange nicht gewusst. 😀

Der Klimawandel und die zunehmende Trockenheit reduzieren die Leistungsfähigkeit von Erdwärmekollektoren. Zudem kann der Wärmeentzug der Kollektoren den Beginn der Wachstumsphasen von Pflanzen um bis zu zwei Wochen verzögern. 

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Grundwasserbrunnen

Grundwasserwärmepumpen und -brunnen nutzen das Grundwasser als Wärmequelle, dessen Temperaturen ganzjährig konstant bei 8° C bis 11° C liegen. Sie bestehen aus zwei Brunnen mit jeweils etwa 20 Metern Tiefe. Der Saugbrunnen fördert das Grundwasser zur Oberfläche und gibt dessen Wärme an eine Wärmepumpe ab. Über den Schluckbrunnen wird das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund geleitet, wo es sich wieder aufwärmt.

Um die Bohrungen durchführen zu dürfen, braucht der Hausbesitzer eine wasserrechtliche Genehmigung. Sie beinhaltet oft die Durchführung von Pumpversuchen, um sicherzustellen, dass die Qualität des Grundwassers gewährleistet wird. Man kann auch immer mal einen Nachbarn fragen, ob vielleicht schon eine Genehmigung für das Nachbargrundstück vorliegt. 😉

Die beiden Bohrungen sollten mindestens 15 Meter auseinander liegen, damit das abgekühlte Wasser nicht mehrfach gefördert wird. Der Schluckbrunnen sollte sich in Fließrichtung hinter dem Saugbrunnen befinden, damit das abgekühlte Wasser auch schön vom Saugbrunnen wegfließt. Der Einbau von Brunnenfiltern soll die Anreicherung von Fremdstoffen verhindern.

Die Leistung von Grundwasserwärmebrunnen ist abhängig von der Fließrate des Wassers und der Höhe des Wärmeentzugs des Wassers durch die Wärmepumpe. Bei einer Wasserabkühlung von 5° C, einer Fließrate von 1 Liter pro Sekunde (l/s) und einer Leistung der Wärmepumpe von 13 kW beträgt die thermische Leistung der Grundwasserwärmebrunnen etwa 21 kW. Ab einer Leistung von 35 kW erlauben sie die Beheizung ganzer Wohngebiete.

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Luftwärmepumpen

In Gegenden, wie etwa Wasserschutzgebieten, in denen keine Erlaubnis für Grundwasserwärmepumpen erteilt werden, bietet sich für Hausbesitzer eine Luft-Wasser-Wärmepumpe an (Abbildung 4). Sie wandelt Wärme der Umgebungsluft in Heizwärme um und funktioniert wie andere Wärmepumpen, nur dass sie der Umgebungsluft Wärme entzieht und nicht einer Flüssigkeit, wie bei Erdwärmesonden, -kollektoren oder Grundwasserwärmepumpen. Dafür hat das Kältemittel von Luft-Wasser-Wärmepumpen eine noch geringere Verdampfungstemperatur. Ihr Wirkungsgrad ist geringer. Im Jahresdurchschnitt benötigen Luft-Wasser-Wärmepumpen 1 kWh Strom, um 3 kWh nutzbare Wärme zu erzeugen. Mit abnehmender Außentemperatur nimmt ihr Wirkungsgrad noch weiter ab. Um im Winter, wenn die Außenluft kalt ist, den benötigten hohen Wärmebedarf sicherzustellen, verfügen Luft-Wasser-Wärmepumpen über einen Elektroheizstab. Die erzielten Vorlauftemperaturen einer Luftwärmepumpe sind mit 35 Grad Celsius relativ niedrig. Also bietet sich das Beheizen einer Fußbodenheizung an.

Abbildung 4: Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Energie der Umgebungsluft zum Beheizen einer Fußbodenheizung. Quelle: inHaus GmbH, youtube-Video https://www.youtube.com/watch?v=jtaSRAfseig

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Energiepfähle

Schwere Bauwerke müssen beim Bau in der Tiefe mit Pfahlgründen verankert werden. Dabei werden Pfähle in einer Tiefe von bis 25 Metern in tragende Gesteinsschichten gerammt. Werden die Pfähle zusätzlich zur geothermischen Wärmegewinnung genutzt, heißen sie Energiepfähle (Abbildung 5). Dafür werden die Rohre mit Wärmetauschrohren verlegt und an eine Wärmepumpe am Gebäude angeschlossen. Sie dienen neben der statischen Funktion also auch als Wärmeüberträger. Ein Energiepfahl funktioniert wie eine Erdwärmesonde. Er entzieht dem Erdreich ihre Wärme und gibt sie an eine Wärmepumpe im Gebäude ab. Stellt man die Wärmepumpe andersherum ein, gibt sie die Wärme des Gebäudes an den Energiepfahl ab und kühlt so das Gebäude. Energiepfähle haben keine Einbaukosten. Sie sind allerdings nur während des Baus möglich, danach nicht mehr. Die Leistung von Energiepfählen ist abhängig von der Größe des Gebäudes, bzw. der ihrer Anzahl und liegt zwischen 10 und 800 kW.

Abbildung 5: Energiepfähle tragen und heizen (und kühlen) große Gebäude. Quelle: Centrum Pile Group, youtube-Video https://www.youtube.com/watch?v=jtaSRAfseig

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Kühlen mit einer Wärmepumpe

Im Sommer ist die Lufttemperatur höher als die Untergrundtemperatur bis in Tiefen von einigen Hundert Metern. Die Erd“kälte“ zu Kühlzwecken mit einer Erdwärmesonde oder einem Energiepfahl ins Gebäude zu lenken, erfordert viel weniger Energie als die Gewinnung von Erdwärme. Denn beim Kühlen findet keine Energieumwandlung statt. Der einzige Energieaufwand liegt beim Pumpen hoch ins Gebäude. Mit 1 kWh Strom (für die Pumpen) können etwa 100 kWh thermische Kühlenergie gewonnen werden.

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Effizienz und Kosten

Eine wichtige Kennzahl für die Effizienz von Wärmepumpen in Verbindung mit einer geothermischen Anlage ist der COP (coefficient of performance)-Wert. Er ist das Verhältnis der erzeugten Wärmeenergie zur hinzugegeben elektrischen Energie.

Oder anders formuliert: Wie viel Kilowattstunden Wärme erzeugt die Wärmepumpe, wenn sie eine Kilowattstunde Strom benötigt? Der COP-Wert, der zwischen 3 und 6 liegt, wirkt sich stark auf die Langzeitkosten einer geothermischen Anlage aus, wie das folgende Beispiel zeigt:

CC-BY-SA, A.Aretz, http://www.geothermal4climate.de

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Staatliche Fördermittel

Seit dem 1. Januar 2020 gibt es eine neue Erdwärme-Verordnung des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). Für den Einbau einer Wärmepumpe erhält man 35 % der Kosten zurück. Beim Austausch einer Ölheizung durch eine Geothermieheizung werden sogar 45 % der Kosten erstattet. Zudem sind Anschaffung und Einbau nicht mehr nur der Wärmepumpe anrechenbar, sondern auch von Erdwärmesonden und -kollektoren. Bei Wohngebäuden werden Kosten von maximal 50.000 Euro anerkannt – bei Gebäuden, die nicht zum Wohnen dienen, bis zu 3,5 Millionen Euro.

Hier ein Beispiel, das zeigt, wie viel man bei der Nutzung oberflächennaher Geothermie zurückbekommen kann:

Wenn Du in einem alten ungedämmten Haus wohnst und eine Erdwärmesonde einbauen willst, muss sie zu drei Vierteln geothermisch betrieben werden. Wenn das Haus eine Leistung von 10 kW benötigt, müssten also 7,5 kW aus der Erdwärme kommen. Pro 100 Meter Sonde erzielt man etwa 5 kW, also bräuchte man 150 Meter Sonde, also zwei Bohrungen zu 70 und 80 Metern. Allein die Bohrungen können zusammen 8.000 bis 10.000 Euro kosten und die Gesamtkosten bei 15.000 Euro liegen. Beim Austausch einer Ölheizung erhält man 6.750 Euro zurück, und beim Austausch einer anderen Heizung immer noch 5.250 Euro.

Für die Errichtung oder einer Erweiterung einer Großwärmepumpe (> 100 kW Wärmeleistung) gibt es pro Bohrmeter bis 400 Meter Tiefe einen Tilgungszuschuss von 4 Euro und ab 400 einen von 6 Euro. 

Mehr Infos auf:

https://www.waermepumpe.de/waermepumpe/foerderung/bafa-foerderung-fuer-waermepumpen/

https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/erdwaerme/erdwaermeheizung/foerderung