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Technik der Erdwärmenutzung

In Neu- und Altbauten sind Erdwärme-Heizungssysteme gefragte Substitute für die konventionelle Öl- und Gasverfeuerung. Bei der Gewinnung von Erdwärme haben sich in den letzten Jahren insbesondere Flächenkollektoren, Erdsonden aber auch Brunnenanlagen als praktikable Lösungen etabliert. Die aus dem Erdreich gewonnene Wärme wird dann per Sole- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe auf die benötigte Heizkreistemperatur hochgepumpt. Effiziente Wärmepumpen nutzen dann Dreiviertel Erdwärme und Einviertel Strom, um eine Kilowattstunde Wärme herzustellen.

Methoden zur Gewinnung von Erdwärme

In der sogenannten "oberflächennahen" Geothermie haben sich drei Verfahren zur Wärmegewinnung aus dem Boden mit Einsatz einer Wärmepumpe etabliert:

Flächensparende Sonderentwicklungen wie Grabenkollektoren, Spiralrohre, spezielle Polypropylenmatten sowie Erdabsorber-Direktverdampfungssysteme werden seltener verwendet.

Ist aufgrund wasserschutzrechtlicher Bestimmungen, geologischer oder grundstücksflächenbedingter Einschränkungen eine Erdwärmenutzung nicht möglich, so ist eine Luft-Wärmepumpe als mono- oder bivalente Heizung als Alternative zur Erdwärme zu empfehlen.

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Nutzung von Erdwärme-Kollektoren

Flächenkollektoren sind horizontal verlegte PE-Schläuche, in denen ein Wasser-Glykolgemisch zirkuliert. Die aus der Geologie und dem Wärmebedarf der Immobilie resultierende Kälteentzugsleistung ("Menge an Erdwärme") determiniert die Größe des Flächenkollektors und kann zwischen dem 1,5- bis 2,5-fachen der zu beheizenden Nutzfläche, je nach Dämmung, variieren. Eine Dimensionierung sollte unter allen Umständen nach der VDI 4640 [1] durchgeführt werden.

Ein Flächenkollektor nutzt das Erdreich in ca. 1,20 bis 1,50 m Tiefe als solaren Speicher ("Erdwärme"). Das bedeutet, dass diese Fläche der Sonne und den Wärmetransportmedien, insbesondere Regen- und Grundwasser, zugänglich sein muss. Die Nutzung des Grundstücks ist also hinsichtlich Bepflanzung und Bebauung langfristig eingeschränkt. Der Einsatz empfiehlt sich daher eher auf größeren Grundstücken.

Verlegung eines Flächenkollektors zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme (Foto: energie-experten.org)
Verlegung eines Flächenkollektors zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme (Foto: energie-experten.org)

Die Installation eines Flächenkollektors in Baulücken sowie der Heizungssanierung gestaltet sich ebenfalls schwierig, da bestehende Gärten zerstört werden und der An- und Abtransport des auszuhebenden Erdreichs bei Platzmangel aufwändig ist. Eine Installation im Neubau mit ausreichender Grundstücksfläche ist also der prädestinierte Anwendungsfall eines Flächenkollektors, da überdies die Verlegung kostengünstig im Baufortschritt des Hauses integriert werden kann.

Die einfache Installation und günstige Installationskosten sind also von der Grundstücksfläche sowie der -nutzung beschränkt und mit der Einbringung von Erdwärmesonden zu vergleichen. Weiteres Charakteristikum des Flächenkollektors ist die saisonale Variabilität der Kälteentzugsleistung. Da der oberflächennahe Temperaturverlauf des Erdreichs erst ab 15m jahreszeitlich unabhängig ist, nimmt vom Beginn bis zum Ende der Heizperiode die Temperatur der den Flächenkollektor durchströmenden Sole kontinuierlich ab und bedarf der Sommermonate zum Auffüllen des solaren Speichers und zur Regeneration des den Kollektor umgebenden Erdreichs. Zu klein ausgelegt, reichen die Sommermonate nicht aus, um das gleiche Temperaturniveau des Vorjahres zu erreichen. Langfristig sinkende Entzugsleistungen sind die Folge, die sich schleichend einstellen und gerade im Neubau aufgrund fehlender Referenzwerte oftmals erst nach einigen Heizperioden offenbar werden.

Verwendung von Erdwärme-Sonden

Ist die Fläche für einen horizontalen Erdwärmekollektor nicht vorhanden oder aufgrund ihrer Nutzung ausgeschlossen, so gibt es die Möglichkeit der senkrechten bzw. schrägen Anordnung. Diese Art von Kollektor wird als Erdwärmesonde bezeichnet. Erdwärmesonden reichen in Tiefen von 10 bis 100 m. Eine Erdwärme-Gewinnung per Sonde ist weniger anfällig für saisonale Temperaturschwankungen. Ihre Nutzung basiert dabei auf dem gleichen Prinzip wie Flächenkollektoren. Lediglich die vertikale Einbringung ins Erdreich unterscheidet diese.

Um Erdwärme aus tieferen Bodenschichten zu gewinnen, werden in der Regel Erdwärmesonden gebohrt. (Foto: energie-experten.org)
Um Erdwärme aus tieferen Bodenschichten zu gewinnen, werden in der Regel Erdwärmesonden gebohrt. (Foto: energie-experten.org)

Voraussetzungen für die Planung und Einbringung von Erdwärmesonden sind die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, des Bodenwiderstandes sowie der Existenz von Grund- und Schichtenwasser und der Bestimmung von dessen Fließrichtung. Da bei der Bohrung in der Regel Grundwasser führende Schichten getroffen werden, ist eine wasserrechtliche Erlaubnis zum Betrieb der Erdwärmesondenanlage einzuholen. Für den Gebäudebestand und für Neubauten in Ballungsräumen mit geringem Freiflächenangebot eignen sich Erdwärmesonden besonders.

Um tiefere Erdwärme-Bohrungen zu realisieren, wird das Bohrgestänge beim Bohrvorgang zusammengeschraubt und nachgeführt. (Foto: energie-experten.org)
Um tiefere Erdwärme-Bohrungen zu realisieren, wird das Bohrgestänge beim Bohrvorgang zusammengeschraubt und nachgeführt. (Foto: energie-experten.org)

Nutzung von Erdwärme über eine Brunnenanlage

Grundwasser mit seiner ganzjährigen Temperatur von 8 bis 12°C bietet als Erdwärmequelle beste Bedingungen zum Betrieb einer Wärmepumpe. Hierbei wird über eine Tauchpumpe aus dem Förderbrunnen Grundwasser entnommen, über den Verdampfer der Wärmepumpe bzw. einen Zwischenwärmetauscherkreis geleitet, dabei abgekühlt und über den Schluckbrunnen wieder zurückgeführt. Bereits in Tiefen ab 20 m ist dieses weitgehend frei von Schwebeteilchen und somit grundsätzlich zur Heranführung an den Wärmetauscher der Wärmepumpe geeignet.

Die Erdwärme-Nutzung über das Grundwasser zeichnet sich dadurch aus, dass dieses Medium kontinuierlich mit ca. 10 °C förderbar ist, wohingegen die Temperatur der Sole im Kreislauf der Erd sonden bzw. des Flächenkollektors in den Wintermonaten nur 0 °C bis 4 °C beträgt. Die Wärmepumpe muss dann nur noch dieses „hohe“ Temperaturniveau auf das des Heizwasservorlaufes „hochpumpen“, was geringere Stromkosten für diese Arbeit bedeutet.

Die Nutzung erfordert die Anbringung von minimal zwei Brunnen: einem Förder- und einem Schluckbrunnen, um das Wasser wieder dem Grundwasserleiter zuzuführen. Da sich dieses System nicht gänzlich unter Luftabschluss betreiben lässt, tritt häufig eine Verockerung des Schluckbrunnens aufgrund hoher Eisen- und Mangangehalte des Grundwassers auf. Der Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen sollte zur Vermeidung von thermischen Kurzschlüssen mindestens 10 m betragen. Die Fließrichtung, die Ergiebigkeit und Wasserqualität sind im Vorfeld durch Pumpversuche zu ermitteln, um eine langfristige Entnahme der Erdwärme zu gewährleisten.

Zur Gewinnung der Erdwärme wird eine bestimmte Menge an Grundwasser benötigt. Prinzipiell bestimmt sich die benötigte Wassermenge aus der folgenden Grundformel der Thermodynamik:

E = m * cv * ΔT

Wobei E für die benötigte Kälteentzugsleistung, m für den Kaltwasserstrom in kg/s, cv für die spezifische Wärmekapazität in kJ/(kg x K) und ΔT für die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Brunnenwassers stehen.

Aus dieser Formel folgt, dass die Leistung der Brunnenwasseranlage in entscheidendem Masse vom Wärmetauscher abhängig ist, der für den im Anwendungsfall langfristig förderbaren Volumen- und Kalorienstrom ausgelegt werden muss. Entspricht der Erdwärmetauscher nicht den thermodynamischen Anforderungen, so sinkt die Gesamteffizienz der Anlage und kann im schlimmsten Fall zur Vereisung der Tauscherflächen führen. Die Bestimmung der Anlagentechnik sollte daher in Händen eines versierten Planungsbüros liegen.

Durch lokal jahreszeitlich stark schwankende Grundwasserqualitäten ist im Vorfeld der Anlagenplanung eine Wasseranalyse notwendig. Unterbleibt diese, besteht die Gefahr der Verockerung des Schluckbrunnens und der Korrosion durch Eisen und Mangan. Bei nicht ausreichender Wasserquantität und -qualität ist von einer Brunnenwassernutzung abzusehen. Eine eventuell angebrachte Probebohrung kann jedoch noch als Erdwärmesonde genutzt werden.

Experten-Wissen: Die Darstellung der Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme ließe sich hier um die Direktverdampfungssysteme, CO2-Sonden, „Super“-Absorberflächen, Sondenkörbe, Energiezäune, Versickerungsbecken, Teich- und Abwassernutzung, Energiepfähle, Betonkernaktivierung etc. erweitern. Die Umsetzung dieser Erdwärme-Techniken bedarf jedoch jeweils den verschiedensten Projektbedingungen gemäß einer sorgfältigen Abwägung.

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Weitere Informationen über die Nutzung von Erdwärme

"Techniken der Erdwärme-Nutzung" wurde am 06.04.2018 das letzte Mal aktualisiert.