Nutzung der Erdwärme

• Geothermie ist die Nutzung von Wärmeenergie, die aus der Erdkruste stammt. Diese Energie kann in Form von heißem Wasser und Dampf aus tiefen Gesteinsschichten gewonnen werden und zur Stromerzeugung sowie zur Beheizung von Gebäuden und zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Die Technologie zur Gewinnung von Geothermie wird in der Regel durch Bohrungen in den Boden realisiert. Die geothermische Energie ist eine erneuerbare Energiequelle, da sie sich durch natürliche Prozesse ständig regeneriert. Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen hat sie den Vorteil, dass sie nahezu emissionsfrei ist, wodurch sie als klimafreundliche Alternative zu herkömmlichen Energiequellen betrachtet wird.

• Eine Möglichkeit ist die Nutzung von Erdwärmesonden. Dabei werden Rohre in Bohrlöcher im Erdreich eingelassen, in denen sich eine Wärmeträgerflüssigkeit befindet. Die Flüssigkeit wird durch die Rohre gepumpt und nimmt dabei die Wärme aus dem Erdreich auf. Diese Wärme kann dann zur Beheizung von Gebäuden oder zur Erwärmung von Trinkwasser genutzt werden.

• Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung von Grundwasserwärmepumpen. Hierbei wird Grundwasser aus einem Brunnen entnommen, durch einen Wärmetauscher geleitet und dann in einen zweiten Brunnen zurückgeführt. Die Wärmeenergie des Grundwassers wird dabei auf ein Kältemittel übertragen, welches verdampft und dann in einem Kompressor komprimiert wird. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Kältemittels, welches dann zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.

• Zudem gibt es auch die Möglichkeit der Erdluftwärmepumpen. Hierbei wird der Temperaturunterschied zwischen Außenluft und der Luft im Haus genutzt. Dabei wird die Außenluft durch einen Wärmetauscher geleitet und erwärmt, bevor sie dann in das Haus geleitet wird. Dort wird die warme Luft genutzt, um das Haus zu beheizen.

Schema für: Kollektor-, Sonden- und offenes System, Quelle: GeoPLASMA-CE

Die Nutzung von Erdwärme stellt eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Methoden der Energieerzeugung dar und hilft, den CO2-Ausstoß zu reduzieren.

Eine Erdwärmeheizung verwendet Erdwärme als umweltfreundliche Energiequelle und erzeugt mithilfe einer elektrisch betriebenen Sole/Wasser-Wärmepumpe Heizwärme. Diese Wärme dient oft im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich und ist durch den Einsatz von Ökostrom vollständig CO2-frei. Für die Installation einer Erdwärmeheizung verlegt man typischerweise Erdwärmesonden oder Flächenkollektoren bis zu 100 Metern tief im Erdreich oder nutzt eine Grundwasserquelle. Die konstante Erdwärmetemperatur im Winter sorgt für eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) von 4, die im Vergleich zu Luft- oder Wasserwärmeheizungen im mittleren Bereich liegt. Die langfristige Effizienz der Erdwärmeheizung sorgt dafür, dass sich die Mehrkosten innerhalb von etwa 10 Jahren amortisieren, und Erdwärmetauscher haben oft eine Lebensdauer von rund 50 Jahren. Seit Januar 2023 erhalten Hausbesitzer beim Einbau einer Erdwärmeheizung staatliche BAFA-Zuschüsse von bis zu 40 % der Investitionskosten.

Bei der Auslegung einer Erdwärmeheizung mit Erdwärmesonden oder Flachkollektoren muss sichergestellt werden, dass dem Erdreich nur so viel Wärmeenergie entnommen wird, wie nachströmen kann, damit sich die Quelle regeneriert. Eine Faustregel gibt an, dass man für eine Kollektorfläche etwa das Doppelte der zu beheizenden Gebäudefläche benötigt. Bei nichtbindigem Boden liegt die spezifische Entzugsleistung bei 10 W/m² und bei wassergesättigtem Boden bei 40 W/m². Die benötigte Kollektorfläche berechnet sich, indem man die Kälteentzugsleistung in Watt durch die Entzugsleistung in Watt pro Quadratmeter teilt.

Bei Sondenbohrungen liegt die Entzugsleistung bei normalen Bodenverhältnissen bei rund 50 Watt pro Bohrmeter. Die Erdsondenlänge berechnet sich, indem man die Kälteentzugsleistung in Watt durch die Entzugsleistung in Watt pro Meter teilt.

Fallbeispiel:

Für ein Einfamilienhaus mit einem Wärmebedarf von 10 Kilowatt für Heizung und Warmwasserbereitung und einer Kälteentzugsleistung von 7,5 Kilowatt benötigt man mindestens 150 Bohrmeter oder rund 200 m² Flächenkollektor, um eine Erdwärmeheizung effizient zu betreiben.

In allen Fällen ist eine Wärmepumpe Teil der technischen Lösung. Die Umwelt, einschließlich der Luft/Luft-Wärmepumpen, liefert eine bestimmte Wärmemenge. Obwohl diese Wärmemenge der Natur entnommen wird, ist sie für Heizzwecke ungeeignet, da sie sich auf einem zu niedrigen Temperaturniveau befindet. Niemand würde versuchen, einen Raum mit einer Wärmeträgertemperatur von weniger als 20 °C auf 21 °C zu erwärmen. Hier kommt die Wärmepumpe ins Spiel. Sie kann das Temperaturniveau so stark erhöhen, dass in den meisten Fällen eine Niedertemperaturheizung erfolgreich betrieben wird.

Ein Nachteil einer Niedertemperaturheizung im Vergleich zu einer Gasheizung, die mit höheren Heizkörperübertemperaturen arbeitet, sind die wesentlich größeren Heizflächen. Dies führt zu höheren Kosten und erfordert mehr Platz.

In 30 Jahren muss der deutsche Gebäudebestand klimaneutral sein. Trotzdem setzen viele Unternehmen auf Materialien und Bauweisen, die im Jahr 2050 veraltet sein werden. Es ist ein Irrtum zu denken, dass Neubauten immer klimafreundlicher als die energetische Sanierung von Altbauten sind. Bei jedem Neubau entstehen zusätzliche Emissionen, sowohl bei der Herstellung von Baumaterialien als auch beim Abriss. Eine energieeffiziente Sanierung stellt häufig die klimafreundlichere Wahl dar. Unternehmen dürfen die langfristige Rendite von Klimaschutzmaßnahmen nicht außer Acht lassen, da die Kosten für CO2-Emissionen stetig steigen. Heutzutage gibt es umfangreiche finanzielle Anreize für Unternehmen, die auf Energieeffizienz und Nachhaltigkeit Wert legen. Klimaneutrales Bauen muss nicht zwangsläufig mehr kosten. Tatsächlich können klimaneutrale Gebäude die niedrigsten Baukosten aufweisen. Der Einsatz von erneuerbaren Energiequellen ist entscheidend, da diese im Vergleich zu fossilen Brennstoffen deutlich weniger Treibhausgasemissionen erzeugen. Gute Wärmedämmung unterstützt ebenfalls den Klimaschutz, weil sie den Energieverbrauch reduziert und sich innerhalb von weniger als zwei Jahren ökologisch amortisiert. Der Glaube, zu viel Dämmung könnte Schimmelprobleme verursachen, ist nicht korrekt, da eine professionelle Außendämmung die Schimmelbildung vermeidet. Unternehmen sollten sich von Experten für Energieeffizienz beraten lassen, um die klimafreundlichsten Maßnahmen zu identifizieren.

• Die Kosten für die Wärmepumpe

• und die Kosten für die Erschließung der Wärmequelle.

Prozentuale Förderung von Erdwärmepumpen gemäß der neuen BEG EM 2023

Die Kosten für eine Sole/Wasser-Wärmepumpe entsprechen denen einer Gas- oder Ölheizung, einschließlich des benötigten Schornsteins. Zu den zusätzlichen Kosten einer Erdwärmeheizung zählen die Aufwendungen für die Bohrung oder die Erdarbeiten für den Flächenkollektor. Obwohl der Kauf einer Erdwärmeheizung wegen dieser zusätzlichen Kosten höher ausfällt, liegen die Betriebskosten im Vergleich zu anderen Systemen deutlich niedriger, da kein Brennstoff benötigt wird. Es entstehen auch keine Kosten für den Schornsteinfeger, da bei der Wärmeerzeugung kein Verbrennungsvorgang stattfindet.

Die Betriebskosten einer Erdwärmeheizung liegen damit unter denen einer Öl- oder Gasbrennwertheizung, und dieser Unterschied wird durch zukünftige Energie- und Umweltstandards noch größer. Seit Anfang 2020 bietet die BEG-Förderung des Bundes hohe Zuschüsse.

Ab Januar 2023 erhalten Sanierer 25% der Investitionskosten für den Einbau einer Erdwärmeheizung vom Staat zurück. Ersetzt man dabei eine Öl-, Kohle-, Nachtspeicher- oder über 20 Jahre alte Gasheizung, kommt ein zusätzlicher Zuschuss von 10% hinzu. Wärmepumpen, die Wasser, Erdreich oder Abwasser als Wärmequelle verwenden, profitieren von einem weiteren Bonus von 5%. Seit Januar 2023 gibt es zudem einen 5%-Bonus für Wärmepumpen, die ein natürliches Kältemittel verwenden, allerdings lassen sich die beiden 5%-Boni nicht kombinieren. Für Wohngebäude wird eine Bemessungsgrundlage von bis zu 60.000 Euro pro Wohneinheit anerkannt.

Niederbringen der Förderbohrung

Im Kontext dieses Themas zählt die sogenannte Tiefengeothermie zu den zentralen Anlagen und nicht zu den dezentralen. Aufgrund der hohen Investitionen handelt es sich in der Regel um zentrale Projekte von Energieunternehmen und Kommunen, wie Stadtwerken. Sehr tiefe und damit kostenintensive Bohrungen sind erforderlich, wodurch eine große Menge Nutzwärme aus diesen Bohrungen extrahiert werden muss. Bei einer kleineren Anlage würde eine weniger tiefe Bohrung nicht ausreichen. Aus diesem Grund sind solch tiefe geothermische Anlagen für mittlere Industriebetriebe nicht geeignet.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Erdwärme nicht genutzt werden kann. Die anschließenden Erläuterungen verdeutlichen, dass in Kombination mit einer Wärmepumpe verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung von Erdwärme existieren.

Im Bereich der tiefen Geothermie unterscheidet man üblicherweise zwischen drei Methoden zur Wärmeentnahme: Erdwärmesonden, hydrothermale Systeme und petrothermale Systeme. Welches Verfahren gewählt wird, hängt von den geologischen Bedingungen am Standort, der benötigten Energiemenge und dem Temperaturniveau der Wärmenutzung ab.

Eine Grundwasserwärmepumpe ist ein Heizungs- und Kühlsystem, das die natürliche Wärme des Grundwassers verwendet, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Sie beruht auf der Wärmepumpentechnologie und zieht Energie aus dem Grundwasser, um die thermische Energie des Gebäudes zu steigern oder zu reduzieren.

Dank der konstanten Temperatur des Grundwassers dient es der Grundwasserwärmepumpe sowohl als Wärmequelle als auch als Wärmesenke. Da die Grundwassertemperatur das ganze Jahr über stabil bleibt, ist sie eine effektive und verlässliche Energiequelle. Das System der Wärmepumpe umfasst einen Wärmeaustauscher, einen Verdichter, einen Kondensator und einen Expansionstank.

Das Grundwasser wird aus einem Brunnen oder einem anderen Gewässer entnommen und zum Wärmeaustauscher transportiert, wo es Wärme an das Kältemittel der Wärmepumpe weitergibt. Wenn dieses Kältemittel verdampft, saugt es der Verdichter auf und erhöht dabei dessen Druck und Temperatur. Das erhitzte Kältemittel strömt dann durch den Kondensator und überträgt seine Wärme an das Heizsystem des Gebäudes. Anschließend fließt das abgekühlte Kältemittel in den Expansionstank, wo der Druck sinkt und das Kältemittel wieder zu verdampfen beginnt, um den Kreislauf von vorne zu starten.

Im Sommer kehrt sich dieser Prozess um, um das Gebäude zu kühlen. Hier verwendet die Wärmepumpe das kühle Grundwasser, um das Kältemittel abzukühlen, welches dann durch den Kondensator geleitet wird, um Wärme aus dem Gebäude abzuleiten. Nachdem das Kältemittel abgekühlt ist, gelangt es in den Expansionstank, wo sein Druck abfällt und es wieder beginnt zu verdampfen, wodurch der Kreislauf erneut startet.

Die Wirksamkeit einer Grundwasserwärmepumpe variiert je nach Gebäudegröße, Wärmeleitfähigkeit des Gebäudes, Größe des Wärmeaustauschers und der Grundwassertemperatur. Generell übertrifft die Effizienz einer Grundwasserwärmepumpe oft die von Luft- oder Erdwärmepumpen, da Grundwasser eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft oder Erde besitzt.

Eine Erdluftwärmepumpe ist eine Heizungsanlage, die erneuerbare Energie aus der Erde und der Luft nutzt, um ein Gebäude zu heizen und zu kühlen.

Eine Erdluftwärmepumpe nutzt die natürliche Wärmeenergie der Erde und der Luft, um ein Gebäude zu beheizen. Sie arbeitet nach dem Prinzip des Wärmekreislaufs. Die Wärmepumpe entzieht der Erde oder der Luft Wärmeenergie und ein Kompressor erhöht dieses Temperaturniveau. Die so erzeugte Wärme dient dazu, das Gebäude zu beheizen. Bei Verwendung des Systems zur Kühlung läuft der Kreislauf umgekehrt und die Wärmeenergie wird von der Innenraumluft in den Boden oder die Außenluft geleitet.

• Verdampfer: Der Verdampfer ist das Teil der Wärmepumpe, das die Wärme aus der Erde oder der Luft entzieht. Er ist in der Regel als Flächenkollektor ausgelegt, der in einer Tiefe von ca. 1,5 bis 2 Metern im Boden vergraben ist oder als Luftkollektor, der an der Außenwand des Gebäudes montiert wird.

• Kältemittelkreislauf: Der Kältemittelkreislauf ist das Herzstück der Wärmepumpe. Er transportiert das Kältemittel durch die verschiedenen Komponenten und ermöglicht so den Wärmeaustausch. Das Kältemittel verdampft im Verdampfer und kondensiert im Kondensator. Der Kreislauf besteht aus dem Verdampfer, dem Kompressor, dem Kondensator und dem Expansionsventil.

• Kompressor: Der Kompressor ist das zentrale Bauteil der Wärmepumpe und sorgt für den Transport des Kältemittels. Er erhöht den Druck und somit die Temperatur des Kältemittels.

• Kondensator: Der Kondensator ist das Teil der Wärmepumpe, das die Wärme an das Heizsystem abgibt. Das Kältemittel gibt in diesem Teil der Wärmepumpe die aufgenommene Wärmeenergie ab und kondensiert dabei.

• Expansionsventil: Das Expansionsventil ist das Teil der Wärmepumpe, das das Kältemittel entspannt und damit den Druck und die Temperatur senkt. Das entspannte Kältemittel wird danach wieder in den Verdampfer geleitet.

• Steuerung: Die Steuerung ist das Gehirn der Wärmepumpe und kontrolliert den Betrieb der Anlage. Sie regelt den Kompressor, das Expansionsventil und andere Komponenten der Wärmepumpe.

Beispiel eines sog. Energiezauns

Ein „Energiezaun“ ist ein Zaun, der anstelle von Gitterstäben Rohre besitzt. Diese Rohre sind untereinander verbunden, ähnlich einem Heizkörper. Durch diese Konstruktion kann der Umgebung Energie entzogen werden. Nachts entzieht er Energie, die tagsüber zum Kühlen dient, und tagsüber entzieht er Wärme, die zum Heizen genutzt wird. Typischerweise speist dieser Zaun die entzogene Energie in ein bestehendes System ein. Eine Wärmepumpe nutzt diese Energie und wandelt das Temperaturniveau entsprechend um. Ein solcher Zaun ist besonders wirtschaftlich, wenn sowieso ein Zaun errichtet werden soll. In diesem Fall können als Investitionskosten nur die zusätzlichen Kosten berücksichtigt werden, die durch die Wahl der Rohrkonstruktion im Vergleich zu einem herkömmlichen Gitterstabzaun entstehen.