Technische und rechtliche Anforderungen an die Nutzung von Grundwasser mit einer Wärmepumpe

Grundwasser ist die im Vergleich zu Luft und Erde effektivste Wärmequelle für eine Wärmepumpe. Wichtige Voraussetzung ist, dass das Grundwasser in ausreichender Menge und Qualität vorhanden ist. Da das Grundwasser ganzjährig hohe und konstante Temperaturen von 8°C bis 12°C aufweist, startet die Wärmepumpe ihre Wärmeveredelung von einem höheren Temperaturniveau als bei Sole- oder Luftnutzung. Zudem steht der Wärmepumpe ein höherer Volumenstrom zur Verfügung, sodass der Wärmepumpe in der Summe mehr Energie zum "pumpen" bereit steht. Dies ermöglicht meist sehr hohe Jahresarbeitszahlen von weit über 5.

Nicht überall ist die erforderliche Wassermenge, Grundwasserqualität und Temperatur zum Betrieb einer Brunnenanlage gewährleistet. Die Anforderungen an die Wasserqualität sind sehr hoch. Bei nicht ausreichender Wasserqualität, z.B. zu viel Eisen (Eisenkonzentrationen > 0,2 mg/l) oder Mangan im Grundwasser, können Ablagerungen (Verockerung, Verschlammung) vor allem im Wärmetauscher der Wärmepumpe und dem Förder- und Schluckbrunnen auftreten. Verstärkt wird der Verockerungseffekt der Grundwasser-Wärmepumpe durch den Sauerstoffgehalt (positives Redoxpotenzial) und ph-Wert (pH-Wert > 5).

Die Grundwasser-Qualität ist hinsichtlich der Wasser-Wärmepumpentechnik insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Energie des Grundwassers über einen Plattenwärmetauscher übergeben wird – entweder direkt an das Kältemittel oder über einen Zwischenkreis an die Sole.

Erfüllt das Grundwasser nicht die notwendigen Voraussetzungen ist es von Vorteil, auf diesen Zwischenschritt verzichten zu können. Möglich machen das zum Beispiel Grundwasser-Wärmepumpen mit Rohrbündelwärmeübertrager (z. B. Grundwasser-Wärmepumpe WPW-I H Premium von Stiebel Eltron).

Die Wärme wird hier direkt aus dem Grundwasser an den Kältemittelkreislauf übergeben. Da so auch die Druckverluste im Grundwasserkreislauf reduziert werden, benötigt die Tauchpumpe eine geringere Leistung – was wiederum der Gesamteffizienz des Systems zugutekommt.

Um möglichen Korrosionsschäden und einer damit verbundenen möglichen Grundwasserverunreinigung durch wasserlösliche, wassergefährdende Kältemittel (z.B. R 407 C) oder Kältemaschinenöl vorzubeugen sind Wasser/ Wasser Wärmepumpen mit einem Verdampfer/ Wärmetaucher aus Edelstahl auszurüsten. Eine erhöhte Sicherheit gewährleistet ein zusätzlicher Wärmetauscher in dem ein Wärmeträgermittel ohne Wassergefährdungsklasse (WGK) zirkuliert. z.B.: Wasser, Natriumchlorid (NaCl) und Calciumchlorid (CaCl) Sole mit einer Konzentration < 3%, Ethanol.

Ein hoher Eisen- und Mangangehalt des Grundwassers führt mittel- oder langfristig in aller Regel zu einer Verockerung des Förder- und des Schluckbrunnens. Dies hat zum einen zur Folge, dass mehr Strom aufgewendet werden muss, um das Grundwasser zur Wärmepumpe zu fördern. Dies mindert die Effizienz der Wärmepumpenheizung (siehe Jahresarbeitszahl). Zum anderen kann der Schluckbrunnen das Wasser immer schlechter aufnehmen, sodass dieser letztendlich überlaufen kann.

Grundsätzlich beinhaltet die Vorplanung einer Grundwasser-Wärmepumpe deshalb folgende Planungspunkte:

Zum effizienten Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Grund- bzw. Brunnenwasser wird eine bestimmte Wassermenge benötigt, die in einer wirtschaftlich nutzbaren Tiefe vorhanden sein muss. Hierbei sind nicht allein die Bohrkosten entscheidend, sondern auch der Stromaufwand für die Tauchpumpe.

Bestimmung der Grundwassermenge

Die benötigte Wassermenge hängt wesentlich von der Leistung der Wärmepumpe ab. Als Richtwert kann man rund 2 m³/h Grundwasser für 10 kW Heizleistung annehmen. Höhere Werte bedingen nicht proportional eine höhere Effizienz, ohne die Wärmetauscherflächen an den Volumenstrom anzupassen. Zudem wird bei den meisten Wasser-Wasser-Wärmepumpen eine Mindesttemperatur von 8°C vom Hersteller vorgegeben.

Der erste Schritt einer Machbarkeitsprüfung sollte daher der Frage nachgehen, ob überhaupt und in ausreichender Menge Grundwasser für die Wärmepumpe zur Verfügung steht. Dies kann z. B. durch einen lokalen Brunnenbauer, Geologen oder durch Anfrage bei der zuständigen Wasserbehörde geklärt werden. Sind Brunnen bei Nachbarn in Betrieb, so ist auch dort eine Nachfrage sinnvoll.

Durchführung einer Probebohrung

Um wirklich sicherzustellen, ob die benötigte Wassermenge auch über einen längeren Zeitraum geliefert werden kann, sollte eine Probebohrung stattfinden und ein Dauerpumpversuch durchgeführt werden. Diese Probebohrung ist mit Kosten von 3.000 € bis 4.000 € verbunden. Dabei kann man jedoch auch feststellen, wie weit der Wasserstand bei der Entnahme absinkt und ob grobe Verschmutzungen wie Sand eine Wärmepumpennutzung des Grundwassers beeinträchtigen könnten.

Festlegung der Bohrtiefe

Meistens sind diese Verunreinigungen jedoch nur im oberflächennahen Bereich bis 10 Meter anzutreffen, sodass eine ideale Bohrtiefe zwischen 10 und 20 Metern liegt. Gegen eine tiefere Brunnenbohrung spricht nur der höhere Investitionsaufwand und der Pumpenstrom. Je größer jedoch der Heizaufwand ist, desto eher lohnen sich diesbezügliche Bohrungen.

Platzierung der Grundwasser-Brunnen

Zudem soll es sich nicht um stehendes Grundwasser handeln, sondern es sollte eine Grundwasserströmung bestehen. Diese ist notwendig, da sonst das stehende Grundwasser durch den Wärmepumpenbetrieb ausgekühlt wird und langfristig immer weniger Energie gewonnen werden kann. Zudem ist die Strömungsrichtung zu beachten, da sonst die "Kältefahne" des Schluckbrunnens die Entnahmetemperatur des Förderbrunnens negativ beeinträchtigt. Die Platzierung der Brunnen sollte aber auch hinsichtlich der Genehmigung mit Bedacht gewählt werden, da auch andere Grundwassernutzungen auf Beeinträchtigungen geprüft werden.

Neben der Quantität spielt vor Allem die Grundwasserqualität eine wichtige Rolle und sollte unbedingt vorher geprüft werden. Die im Wasser enthaltenen Stoffe und Metalle wie Chloride, Sulfate, Eisen und Mangan, der ph-Wert und die elektrische Leitfähigkeit können bei ungünstigen Konzentrationen den Betrieb der Wärmepumpe beeinträchtigen oder sogar zu Schäden an der Anlage führen. Dieses Problem lässt sich bei gewissen Mengen dieser Stoffe im Wasser wie bereits angemerkt durch einen externen Wärmetauscher lösen.

Durchführung einer Grundwasser-Analyse

Da eine Rückführung des Grundwassers jedoch nicht unter Sauerstoffabschluss möglich ist, kann der Schluckbrunnen verockern und somit nach wenigen Jahren der Betrieb gefährdet sein. Deshalb muss vor der Anlagenplanung unbedingt eine Wasseranalyse durchgeführt werden, um späteren bösen Überraschungen vorzubeugen. Die Grenzwerte werden vom Hersteller der Wärmepumpe vorgegeben.

Nachträgliche Grundwasser-Verunreinigungen

Aber auch nach erfolgreicher Installation bleibt z. B. durch Düngung ein Restrisiko einer nachträglichen Verunreinigung des Grundwassers. Um wirklich sicherzustellen, dass auch diesbezüglich ein langfristiger Betrieb der Grundwasser-Wärmepumpe gewährleistet wird, sollte daher ein tieferer Grundwasserleiter genutzt werden, der nicht durch Einträge der Landwirtschaft beeinträchtigt werden kann.

Bei der Planung und Installation von Grundwasser-Wärmepumpen sind die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) und die wasserrechtlichen Regelungen bzw. die Wassergesetze der Länder zu beachten.

Wasserrechtliche Bewilligung

Zur Errichtung und Nutzung der Wärmequelle Grundwasser ist daher eine wasserrechtliche Bewilligung einzuholen. Eine einfache Anzeige der Bohrung ist also nicht ausreichend. Für die Bewilligung einer solchen Anlage ist aufgrund der betroffenen Schutzgüter eine Vorlaufzeit einzurechnen, die je nach regionaler Lage differiert und oftmals 2 Monate dauern kann.

Wasserrechtliche Genehmigung

Befindet sich die mit der Grundwasser-Wärmepumpe zu beheizende Immobilie in der Nähe z. B. eines Wasserschutzgebietes, so wird eine wasserrechtliche Genehmigung nötig. Befindet sich die Immobilie in einem Wasserschutzgebiet, so ist eine Genehmigung eher schwierig bis gar nicht zu erlangen.

Die Prüfung der Wasserschutzstufe ist deshalb auch grundlegendes Kriterium vor Beginn der Anlagenplanung und kann durch ein kurzes Telefonat mit der Unteren Wasserbehörde des zugehörigen Kreises schnell eruiert werden.

Grundsätzlich sind Brunnenbohrungen aufgrund des Durchmessers und verbauten Komponenten zur Förderung des Grundwassers kostenintensiver als Erdsonden. Da man im Einfamilienhausbereich jedoch nur zweier Brunnen bedarf, ist eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ab ca. 15 kW günstiger als eine von der Leistung her identische Sole-Wasser-Wärmepumpe. Hierbei bleiben die höheren Leistungszahlen zunächst unberücksichtigt.

Auf diesem Hintergrund wird immer wieder die Frage gestellt, ob vorhandene Hausbrunnen genutzt werden können. Die Erfahrung zeigt, dass die vorhandenen Brunnen häufig nicht die geforderte Wassermenge erbringen oder bei konstantem Entzug zuviel Sand oder generell Erdmaterial durch den verstärkten Zufluss eingespült wird. Ein solcher Brunnen könnte vertieft werden oder als Schluckbrunnen Verwendung finden. Will man sich nicht auf dieses Vabanquespiel einlassen, so sollte man den vorhanden Brunnen zur Bestimmung der Wasserqualität nutzen und mit zwei neuen Brunnen planen. Wie die Ausführung dieser Brunnen dann letztlich erfolgt, wird mit dem Brunnenbauer und dem Anlagenplaner abgeklärt.

Mit einer durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von 5 sind die Brunnenwasser gespeisten Wärmepumpen Spitzenreiter in Sachen Effizienz. Es muss also nur noch 1 kWh Strom aufgewandt werden, um 5 kWh Wärme zu erzeugen. Im Fall einer 15 kW-Anlage mit 2000 Heizstunden ergibt sich also ein Stromaufwand von 6000 kWh und somit ca. 700 € Kosten pro Jahr. Im Vergleich dazu würde eine Sole-Wasser-Anlage ca. 900 € Heizkosten verursachen. Somit liegt auch die Amortisation der der Grundwasser-Wärmepumpe deutlich unter 10 Jahren.

Sind die Bedingungen für den Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe gegeben, so ist die Nutzung dieser Wärmequelle in jedem Fall anzuraten. Dies ist nicht nur folgerichtige Konsequenz der hohen Wirtschaftlichkeit, sondern auch der damit einhergehenden Minimierung der CO₂-Emission. Denn während die Kosten mit steigender Jahresarbeitszahl sinken, verbessert sich die Umweltfreundlichkeit deutlich. Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist nämlich auch Spitzenreiter in Sachen Klimaschutz.