Techniken zur Nutzungder Erdwärme

„Wie hole ich die Erdwärme ins Haus?“

Die Funktionsweiseeiner Wärmepumpe

„Wie ein umgedrehter Kühlschrank“

Die Funktionsweiseeiner Wärmepumpeentspricht in weitenTeilen der einesKühlschranks. Nurwird durch die Wär-mepumpe die ent-zogene Wärmegenutzt, die beimKühlschrank überdessen Kühlrippenungeregelt abgegeben wird. Die detaillierteBeschreibung finden Sie untenstehend.

Die Funktionsweise der Wärmepumpe erfolgt invier Phasen:

1. Unter niedrigem Druck nimmt ein Kältemitteldie Wärme aus dem Untergrund auf und ver-dampft dabei.

2. Im Kompressor wird der Druck des Dampfeserhöht, so dass er sich erwärmt.

3. Der warme Kältemitteldampf erwärmt das Hei-zungswasser, kühlt dabei ab und verflüssigt sichwieder.

4. Das flüssige Kältemittel wird im Entspannungs-ventil auf das niedrigere Ausgangsdruckniveaugebracht und kann erneut Wärme aufnehmen

Einsparpotenzialevon Wärmepumpen

„Die Erde stellt uns keine Rechnung“

Bei einer gut abgestimmten Wärmepumpenanlagewird lediglich etwa ein Viertel des Heizenergiebe-darfs des zu beheizenden Gebäudes als Strom fürdie Wärmepumpe benötigt. Dies bedeutet: Mit 1 kWh Strom holt die Wärmepumpenanlage 3 kWhWärme quasi kostenfrei aus dem Untergrund insHaus. Für den Strom gibt es darüber hinaus teilwei-se einen vergünstigten Wärmepumpenstromtarif.

Voraussetzung für einen effizienten Wärmepum-penbetrieb ist eine niedrige Vorlauftemperatur derHeizungsanlage, die 35 °C möglichst nicht über-schreiten sollte. Fußboden- oder Wandflächenhei-zungen sind dafür bestens geeignet. Eine Warm-wasserbereitung mittels Wärmepumpe ist wenigsinnvoll: Die dafür benötigten höheren Temperatu-ren wirken sich deutlich negativ auf die Effizienzaus.

Obwohl die Investition für eine erdgekoppelteWärmepumpenanlage bei einem Neubau deutlichüber den Anschaffungskosten eines konventionel-len Heizsystems liegt, kann sich die Entscheidungfür eine solche Anlage auszahlen. Eine gründlichePlanung ist hier zwingend erforderlich, und dieRahmenbedingungen, wie z. B. niedrige Vorlauf-temperaturen, müssen stimmen. Die Kosten füreinen Schornstein, Öltank oder Gasanschluss ent-fallen. Unter günstigen Bedingungen amortisiertsich eine Wärmepumpenanlage in einem Neubaudurchschnittlich bereits nach 9 bis 13 Jahren

Zur Nutzung der Erdwärmestehen drei unterschiedlicheVerfahren zur Verfügung:Erdwärmekollektoren, Erd-wärmesonden und Brunnen-systeme.

Erdwärmekollektoren werdenhorizontal in geringer Tiefeknapp unterhalb der Frost-grenze (maximal 2 Meter) ver-legt und gewinnen fast aus-schließlich die von der Sonneeingestrahlte Wärmeenergie.

Vorteile von Erdwärmesonden gegenüber Kollek-toren sind ein deutlich geringerer Flächenbedarfund die Erschließung eines unterhalb des Einfluss-bereichs der Sonneneinstrahlung liegenden unddamit jahreszeitlich konstanten Temperatur-niveaus. Erdwärmesonden werden in Bohrungenmit Tiefen meist geringer als 100 m, seltener auchmehr als 130 m eingebaut.

Geothermische Brunnenanlagen können an geeig-neten Standorten dafür genutzt werden, durch För-derung und Wiedereinleitung des Grundwassersdessen Wärmeenergie direkt zu verwenden. Vor-teilhaft ist das konstante, mit 8 bis 12 °C relativhohe Temperaturniveau. Aufwändiger können sichhier Genehmigungsverfahren und technischerBetrieb gestalten

Erdwärme in Hessen

Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie ist in Hessen grundsätzlich überall möglich. Etwa3.300 Erdwärmesonden (Stand Juni 2007) belegendies.

Einschränkungen bestehen zum Beispiel in denzum Schutz des Grundwassers ausgewiesenenWasserschutzgebieten. Der Leitfaden „Erdwärme-nutzung in Hessen“ informiert Sie detailliert zu die-sem Thema.

Die erforderliche Gesamt-länge bzw. Tiefe und

Stückzahl der zuerrichtenden Erd-

wärmesondenhängt von der

Wärmeleitfähig-keit des Stand-ortes ab.

Eine genaue Ana-lyse vorab ist hier

unerlässlich

„Können auch wir die Erdwärme nutzen?“

Oberflächennahe und tiefe Geothermie

Die bei der Entste-hung der Erde frei-gewordene Wärme-energie ist bis heuteim Inneren der Erdegespeichert. Etwa99 Prozent des Erd-volumens sindheißer als 1.000 °C.Diese Energiemen-ge ist, in mensch-lichen Dimensionen betrachtet, nahezu unbe-grenzt.

Ein sichtbares Zeichen der gewaltigenEnergiemengen im Erdinneren ist inHessen zum Beispiel der Vogelsberg,der – zwar seit langem erloschen – dasgrößte Vulkanmassiv Mitteleuropas ist.

In der oberen Erdkruste nimmt dieTemperatur im Mittel um rd. 3 °C pro100 Meter Tiefe zu (geothermischerGradient). Dieser Durchschnittswert istan Stellen der geothermischen Anoma-lien, wie z. B. dem Oberrheingraben,wesentlich größer.

In Abhängigkeit von der Tiefe der Wärmeer-schließung unterscheidet man zwischen ober-flächennaher (bis etwa 400 m Tiefe) und tiefer Geo-thermie (über 400 m Tiefe)

„Woher kommt die Erdwärme?“

Erdwärme-sonden

Erdkollektor

Erdwärmesonde *

* Quelle: Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.V.

… schafft ein angenehmesRaumklima.

Erdwärmesonden, -kollektoren und geo-thermische Brunnenanlagen erschließendie oberflächennahe Geothermie bis zueiner Tiefe von etwa 400 m.

1

4

32

aus der Erd-wärmesonde

Heizkörper/Warmwasser

Kälte-mittel

Entspannungs-ventil

≤ 8°C 35°CKompressor

Wärmetausch-Prozess

Thermal-wasser

Hot DryRock

Speicherung

Im Hot Dry Rock-Verfahren wird kaltesWasser in den Boden gepresst und in dentiefen Erdschichten erwärmt. Hierbei wird,wie auch bei Tiefenspeichern, die Tiefen-geothermie genutzt.

Erdwärmesonden in Hessen (Stand 06/2007)Quelle: HLUG

Brunnensystem *

Erdwärmekollektor *

Die Installation einer Fuß-bodenheizung …

Erdwärmesonden fachgerecht installieren

Nur eine auf den Wärme-bedarf des Gebäudes undseiner Bewohner sowie diegeologische Situation desStandortes gut abgestimmteAnlage erzielt höchste Ein-sparpotenziale. Lassen Siedie Arbeiten deshalb vonerfahrenen Fachbetriebendurchführen.

Bei der Planung von geother-mischen Brunnenanlagen undErdwärmesonden können inder Regel nur Annahmenzum geologischen Aufbaugetroffen werden. Diese müssen anhand der Bohr-ergebnisse überprüft werden. Die Planung ist imLaufe der Bauphase gegebenenfalls anzupassen.

Schlecht geplante bzw. ausgeführte Anlagenkönnen leicht zu einem hohen Strombedarf führenund sind dann weder ökologisch noch wirtschaft-lich sinnvoll

„Die Qualität entscheidet”

Anlagenbeispiel

Gute Planung zahlt sich aus: Neben der fachge-rechten Anlagendimensionierung sind auch Finan-zierungsfragen in die Planung mit einzubeziehen:

Bei der oben aufgeführten Musteranlage konntendurch gute Wärmedämmung und Integration einerthermischen Solaranlage auch Fördermittel aus demKfW-Kreditprogramm „Ökologisches Bauen“ inAnspruch genommen werden. Die Amortisations-zeit der Anlage liegt laut Herstellerangaben beica. 12 Jahren

„Mit guter Dämmung bringt es mehr.“

Weiterführende Informationen

Sie haben Fragen zu Möglichkeiten der Erdwärme-nutzung an Ihrem Standort und zum Genehmi-gungsverfahren? Informationen finden Sie im Leit-faden „Erdwärmenutzung in Hessen“, den Sie beimHessischen Landesamt für Umwelt und Geologieund bei den Unteren Wasserbehörden erhalten.

Soll die geplante Erdwärmebohrung mehr als 100 mtief in den Boden eindringen, erweitert sich derKreis der zu beteiligenden Behörden um daszuständige Regierungspräsidium als Bergbehörde.Zusätzlich steht der Leitfaden unter www.hlug.dezum Download zur Verfügung.

Sie benötigen weitere Informationen z.B. über aus-geführte Anlagen? Informieren Sie sich im Internetunter www.energieland.hessen.de/ErneuerbareEnergien/Geothermie – eine Internetseite des HessischenMinisteriums für Wirtschaft, Verkehr und Landes-entwicklung (www.wirtschaft.hessen.de) – und aufder Internetseite des Hessischen Landesamts fürUmwelt und Geologie (HLUG) – www.hlug.de

Herausgeber:Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und LandesentwicklungPostfach 31 2965021 Wiesbadenwww.hessen.depoststelle@hmwvl.hessen.de

November 2007

„Wir helfen Ihnen weiter!“

Geothermische Anlagen –Heizen mit Erdwärme

„Die Erde – eine unerschöpfliche Energiequelle“

Raumklimatisierung durchErdwärmesonden

Erdwärmesondenanlagen können nicht nur zurGewinnung von Wärme genutzt werden: Im Som-mer führen sie die relativ niedrigen Temperaturenaus dem Untergrund z. B. über die Fußbodenhei-zung in den Wohnraum und kühlen die Raumluftum ca. 3 bis 4 °C ab.

Ein besonderes Beispiel hierfür ist der Reichstag: Erwird in einem komplexen System durch die gekop-pelte Produktion von Strom, Wärme und Kälteunter Einbezug zweier Aquifer-Speichersystememit Energie versorgt.

Der erste Aquifer-Speicher in einer Tiefe vonca. 285-315 m nimmt im Sommer die Überschuss-wärme der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage aufund dient im Winter der Versorgung mit Wärme.

Der zweite Aquifer-Speicher in einer Tiefe vonca. 60 m dient der Versorgung mit Klimakälte: ImWinter werden die kalten Außentemperaturengenutzt, um das Grundwasser im Speicher herunterzu kühlen, im Sommer wird diese so gespeicherteKälte über Kältenetze im Gebäude verteilt unddient der Klimatisierung

„Im Sommer stets angenehme Kühlung“

Eine Wanderausstellung des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung und desHessischen Landesamts für Umwelt und Geologie

Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

23°C

Kältespeicher(2)

70°C

20°CWärmespeicher(1)

Funktionsschema derWärmepumpe im Reichstag

Bohrung für Erdwärmesonde

Installation der Erdsonden

Wärmepumpenanlage für Heizung, Trinkwassererwärmungund KühlungWärmequellenerschließung: 2 Erdwärmesonden a 60 m (Doppel-U-Sonden)Typ: Sole/Wasser-Wärmepumpe (monovalente Heizungs-anlage)Nenn-Wärmeleistung: 8 kWLeistung Elektroheizstab1): 6 kW (integriert)Speicher-Wassererwärmer: 250 Liter (integriert) Regeleinheit für witterungsgeführten Heiz- und Kältebetriebsowie Solarkreis

Amortisationszeit der Wärmepumpe: ca. 12 Jahre2)

Strombezug für Wärmepumpenanlage: Sonderstromtarif 3)

Förderung: KfW-Kreditprogramm „Ökologisch Bauen“ für KfW-Energiesparhaus 60www.kfw-foerderbank.de

Zusätzlich wurde über den Solarkreis (Solarkreispumpe undWärmetauscher in Wärmepumpe integriert) eine thermischeSolaranlage4) mit 5 m2 Absorberfläche (Flachkollektoren)eingebunden.

Anlagenbeispiel Hünstetten

Standort: Hünstetten (Taunus)

Haustyp: KfW-Energiesparhaus 60

Jahres-Primärenergie-bedarf: 58 kWh/m2

Gebäudenutzfläche: 160 m2

1) zur Nacherwärmungvon Trinkwasser undHeizkreis

2) Herstellerangabe3) Sonderstromtarif

(Tarif für sonstige unter-brechbare Verbrauchs-einrichtungen)

4) zur Unterstützung derWarmwasserbereitung

Erdkruste (rd. 3 °C/100 m) oberer Mantel (> 1000 °C)

unterer Mantel (> 3000 °C)

Erdkern (> 5000 °C)