Seit Förderprogramme des Bundes und der Länder den Bau von Heizanlagen auf der Basis von Wärmepumpen zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie unterstützen, ist auf diesem Markt ein rasantes Wachstum festzustellen. Unterstützend wirken noch die stark gestiegenen Energiekosten, die viele Häuslebauer und Sanierer mit solchen Anlagen auffangen möchten. Das ist nur zu verständlich und sollte unterstützt werden, zumal der weitere Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien ein wichtiges Ziel des Bundes und der Landesregierung von Baden-Württemberg ist.
Aber sparen solche Anlagen wirklich fossile Energie oder sparen sie nur Heizkosten aufgrund von verbilligten Stromtarifen? Was ist zu beachten, um sowohl Geld als auch Energie einzusparen?
Qualitätsprobleme in einem rasant wachsenden Markt
Wesentliche Kennzeichen eines schnell wachsenden Markts sind das rege Nebeneinander von professioneller Planung und guter Anlagenausführung mit fehlender Kompetenz, mangelhafter Anlagenausführung und Fehlern während der gesamten Umsetzungsphase. Dieser Zustand ruft nach einem sehr stringenten Qualitätsmanagement für alle Projektphasen, beginnend von der Beratung über die Planung bis hin zum Bau. Dazu kommen eine umfassende Information aller Beteiligten, Weiterbildung und Qualifizierung.
Entscheidende Grundlage für ein gutes Qualitätsmanagement ist Transparenz hinweg über alle Projektphasen. Dazu gehört eine offene Diskussion über alle Vor- und Nachteile dieser Technik und die dafür notwendigen Rahmenbedingungen, um hocheffiziente Anlagen sicherzustellen, die mit Jahresarbeitszahlen von deutlich über 3,5 aufwarten können. Es ist nicht verständlich, warum für manche Hersteller und Anlagenbauer der Ehrgeiz deutlich früher endet. Im Gegenteil, es sollte Ziel sein, die 4 vor dem Komma bei Erdwärmesondenanlagen zur Regel zu machen.
Eine hohe Energieeffizienz dieser Anlagen muss selbstverständlich auch im Interesse von Herstellern und Anlagenbauern liegen. Schließlich geht es für den Kunden um nicht unbeträchtliche Investitionen, die hohe Lebensdauer und nachhaltigen Betrieb gewährleisten müssen.
Worauf ist bei der Planung zu achten?
Eine ganz entscheidende Voraussetzung für den sinnvollen Betrieb einer Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonde bildet das zu beheizende Gebäude selbst. Will man an einer solchen Anlage wirklich Freude über gute Effizienzwerte haben, muss das Objekt über eine sehr gute Wärmedämmung und eine Flächenheizung verfügen. Der Wärmebedarf sollte deutlich unter 100 kWh/m²a liegen. Eine Fußbodenheizung oder sogar noch besser eine Wandheizung sind Voraussetzung für niedrige Vorlauftemperaturen, die wiederum der Wärmepumpe besonders effizienten Betrieb ermöglichen.
Ein ganz wichtiges Element für die Auslegung der Anlage ist die Warmwasserbereitung, denn der Warmwasserspeicher benötigt zumindest ab und an Temperaturen von 60 °C. Das ist für die Wärmepumpe bei den Vorlauftemperaturen von Erdwärmesonden von etwa 2 bis 12 °C keine leichte Aufgabe. Hier gilt es etwas über den Tellerrand zu schauen, auch wenn damit die Anlage noch geringfügig teurer wird.
Warum das Brauchwasser nicht solarthermisch erwärmen? Was zunächst vielleicht etwas aberwitzig erscheint, erschließt auf den zweiten Blick geradezu geniale Synergieeffekte. Solarthermie ermöglicht in unseren Breiten von März bis in den November eine völlig ausreichende Warmwasserbereitstellung ohne jede weitere Unterstützung.
Gerade in den Sommermonaten soll sich der die Erdwärmesonde umgebende Bodenkörper vom Stress des Wärmeentzugs während der Heizperiode erholen können. Schließlich geht es darum, dass zu Beginn der nächsten Heizperiode der Bodenkörper wieder gleich konditioniert ist wie zu Beginn der vergangenen Heizperiode. Nur dann ist ein nachhaltiger Anlagenbetrieb zu gewährleisten.
Mit der Nutzung der Solarthermie ist es zusätzlich sogar möglich, die Regeneration des Bodenkörpers zu unterstützen. Im Sommer liefert eine solarthermische Anlage deutlich mehr Wärmeenergie, als zur Warmwasserbereitung erforderlich ist. Diese Energie kann unmittelbar zur Regeneration der Erdwärmesonde eingesetzt werden.
Auch sommerliche Temperierung im Gebäude ist geeignet, die Regeneration der Erdwärmesonde zu beschleunigen. Voraussetzung dafür ist jedoch in beiden Fällen der Einsatz von vernetztem Polyethylen (PEX) als Werkstoff der Erdwärmesonde. Das normalerweise eingesetzte PE 100 verträgt im Dauerbetrieb keine hohen Temperaturen.
Regenerationsmaßnahmen für die Erdwärmesonde sind geeignet, deren erforderliche Länge zu verkürzen. Dies bedarf jedoch einer genauen Bilanzierung des Erdwärmesondenbetriebs.
Geologische Kenntnisse des Untergrundes sind Voraussetzung
Für eine korrekte Auslegung der Erdwärmesonde ist die Kenntnis des geologischen Untergrundaufbaus und die Tiefenlage des Wasserstandes Voraussetzung. Der Wärmebedarf des zu beheizenden Objektes muss durch die Erdwärmesonden abgedeckt werden können. Berechnungsgrundlage dafür bildet eine mit reinem Wasser gefüllte Erdwärmesonde. Die untere Grenztemperatur dieser Erdwärmesonde liegt bei +2 C. Demgegenüber können Erdwärmesonden, die mit einem Wasser-Glykolgemisch gefahren werden, bis auf 1,5 C gefahren werden. Generell muss der Betrieb von Erdwärmesonden nachhaltig angelegt sein. Zwar können mit Wasser-Glykol betriebene Erdwärmesonden etwas kürzer ausgelegt werden, dies geht jedoch ganz wesentlich auf Kosten der Anlageneffizienz.
Die oft anzutreffende Aussage, dass Wasser gefüllte Erdwärmesonden sehr viel länger als Erdwärmesonden mit Wasser-Glykol sein müssten, trifft in gar keinem Falle zu, weil für die Längenbemessung lediglich die untere Grenztemperatur der Erdwärmesonde von Belang ist. Diese untere Grenztemperatur bestimmt die Wärmeentzugsleistung der Erdwärmesonde. Auslegungstemperaturen von 5 C und darunter sind prinzipiell völlig ungeeignet, um einen sicheren und nachhaltigen Anlagenbetrieb zu gewährleisten. Bei gleichlangen Erdwärmesonden mit gleichen Auslegungsparametern erbringt die mit reinem Wasser gefüllte Sonde die klar bessere Energieeffizienz.
Zur langfristigen Betriebsüberwachung muss den Anlagenbetreibern dringend empfohlen werden, die von der Wärmepumpe insgesamt abgegebene Wärmeenergie mit einem elektronischen Zähler zu erfassen. Nur so lässt sich die tatsächliche Jahresarbeitszahl der Anlage feststellen. Sie allein ist das Maß für die energetische Effizienz der Gesamtanlage.
Genehmigungsverfahren
Die wesentlichen Rechtsgrundlagen für die Errichtung und den Betrieb von Erdwärmesondenanlagen bilden in Baden-Württemberg zum Beispiel das hiesige Wasserhaushaltsgesetz und das Wassergesetz. In Abhängigkeit von der Gestaltung und Ausführung einer Anlage können neben dem Wasserrecht für den Bohrvorgang auch bergrechtliche Vorschriften gelten, die sich insbesondere aus dem Bundesberggesetz ergeben. Um die Genehmigung von Erdwärmesonden zu erleichtern, wurde im Wassergesetz für Baden-Württemberg ein vereinfachtes Erlaubnisverfahren für hydrogeologisch günstige Gebiete integriert.
Grundsätzlich ist in Baden-Württemberg jedes Vorhaben zur Erdwärmenutzung mittels Erdwärmesonden zwecks Prüfung bei der Unteren Verwaltungsbehörde und der Bergbehörde im Regierungspräsidium Freiburg anzuzeigen. Die Untere Verwaltungsbehörde beurteilt anhand eines Kriterienkataloges, ob und unter welchen Bedingungen das geplante Vorhaben gebaut werden kann und wie das Verfahren abzuwickeln ist.
Die Bergbehörde prüft, ob ein bergrechtliches Genehmigungsverfahren erforderlich ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Erschließung und Nutzung von Erdwärme auf unterschiedlichen Grundstücken erfolgt oder wenn die Erdwärmesondenbohrung tiefer als 100 m ist. Die bergrechtlichen Anzeige- und Genehmigungspflichten gelten unabhängig von der wasserrechtlichen Anzeigepflicht und dem damit gegebenenfalls verbundenen wasserrechtlichen Erlaubnisverfahren. Detaillierte Angaben zur Vorgehensweise hat das Umweltministerium in einem Leitfaden für Erdwärmesonden aufgeführt.
Fehler bei Erdwärmesonden und ihre Folgen
Bereits in der Planungsphase zur Errichtung von Erdwärmesonden können zahlreiche irreversible Fehler auftreten. Die Bemessung der Erdwärmesonde richtet sich in erster Linie nach dem Wärmebedarf des Objektes und den Untergrundverhältnissen vor Ort. Mangelhafte Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften der Schichtenabfolge und der Hohlräume sowie der Tiefenlage der Wasserstände kann zu einer falschen Auslegung der Erdwärmesonde führen. Dadurch besteht die Gefahr, dass mit der Sonde in den Gefrierbereich gefahren wird und Schäden an Sonde und der Umgebung entstehen. Diese Schäden können die Effizienz der Sonde beeinträchtigen, aber auch eine Gefahr für das Grundwasser durch Leckagen mit stockwerksübergreifenden Verbindungen darstellen.
Bei der Auslegung einer Erdwärmesondenanlage ist das System Sonde und Wärmeträgermittel aufeinander abzustimmen. Mit reinem Wasser betriebene Sonden können nicht im Frostbereich betrieben werden, wie etwa Sonden mit einem Wasser-Glykol-Gemisch. Mit Wasser betriebene Erdwärmesonden erfordern daher eine sorgfältige Auslegung der gesamten Anlage. Dafür sind Frosterscheinungen bei der Hinterfüllung und dem umgebenden Bodenkörper bei dieser Art von Sonden nicht zu befürchten. Reines Wasser hat außerdem summarisch betrachtet wesentlich bessere Eigenschaften als andere Wärmeträgerflüssigkeiten. Es erfordert viel weniger Pumpenergie und hat die bessere thermodynamische Eigenschaften bei der Wärmeübertragung und Speicherung.
Die Hinterfüllung oder Verpressung einer Erdwärmesonde soll die Wasserwegsamkeit entlang der Erdwärmesonde gänzlich unterbinden. Damit dichtet sie verschiedene Grundwasserstockwerke wieder gegeneinander ab und stellt die Dichtwirkung von Geringleitern wieder her. Eine korrekte Hinterfüllung ist ein zusätzlicher Schutz des Grundwassers vor auslaufenden Wärmeträgerflüssigkeiten bei defekten Sondensträngen und bindet die Erdwärmesonde thermisch optimal an das umgebende Gestein an.
Eine unzureichende oder fehlende Hinterfüllung oder eine Verfüllung der Erdwärmesondenbohrung lediglich mit Aushubmaterial stellt die Stabilität der Erdwärmesonde in Frage. Sie führt außerdem zu einer schlechten Entzugsleistung, sodass die Gefahr der Überbeanspruchung der Erdwärmesonde besteht und die Sonde dadurch in den Gefrierbereich mit Frost- und Tauwechsel gefahren wird. Als Folge können Schäden an der Sonde und ihrer Umgebung, d.h. sowohl dem Hinterfüllmaterial als auch den anstehenden Bodenschichten entstehen, bis hin zu Bodenhebungen oder -senkungen. Der Grundwasserschutz ist nicht mehr gewährleistet. Mit hohem Stromverbrauch ist zu rechnen.
Eine unzureichende Verpressung ist kaum zu sanieren. Die Hinterfüllung muss dauerhaft und setzungsfrei sein. Um den geforderten Eigenschaften nachzukommen, muss das Verpressmaterial für den Einsatz im Grundwasser zugelassen sein, eine geringe Durchlässigkeit aufweisen, auf den Untergrund abgestimmt sein und es muss dauerhaft dicht sein. Das Verpressmaterial sollte auf der Baustelle einfach handhabbar und sicher zu verarbeiten sein. Es sollte gut pumpbar (gute Fließeigenschaften), sedimentationsstabil und volumenbeständig sein sowie ein setzungs- und schrumpfungsfreies Abbindeverhalten aufweisen. Das Verpressmaterial sollte außerdem gegen chemische, thermische und mechanische Belastungen beständig sein. Es sollte frostbeständig sein. Die abgebundene Suspension sollte über eine möglichst hohlraumfreie Struktur mit hoher Wärmeleitfähigkeit verfügen.
Beim Einbau kommt es oft zu Schäden
Um die Sonde nicht zu verletzen, dürfen Erdwärmesonden grundsätzlich nicht gewaltsam ins Bohrloch eingebracht werden. Zwischen Erdwärmesonde und Bohrloch muss ausreichend Platz für den Verfüllschlauch und das Hinterfüllmaterial sein, um eine wirksame Abdichtung herstellen zu können. In Abhängigkeit vom Sondentyp (Koaxial, Einfach-U-Rohr, Doppel-U-Rohr) und dem Durchmesser der Sondenrohre sind daher bestimmte Mindestbohrdurchmesser erforderlich. Auch sollte möglichst vertikal gebohrt werden. Um beim Einbau im Winter Schäden am Sondenmaterial zu vermeiden, sollte die Sonde zuvor warm gelagert oder erwärmt werden. Beim Betrieb einer Erdwärmesonde zum Heizen und Kühlen oder bei der Verwendung der Sonde zur Einspeisung von Wärme mit Temperaturen über 3040C sollte vernetztes Polyethylen als Sondenmaterial eingesetzt werden. Bei Erdwärmesonden über 150 m Länge ist gegebenenfalls ein spezielles Sondenmaterial erforderlich oder aber ein spezielles Vorgehen beim Einbau von Sondensträngen aus herkömmlichem Material.
Beim Anfahren eines Artesers oder gespannten Grundwassers im Untergrund besteht die Gefahr der Verbindung verschiedener Grundwasserstockwerke miteinander mit Auswirkungen auf Chemie und Hydraulik. Beispielsweise können Setzungen infolge Reduktion des Porenwasserdruckes entstehen. Auch übertägiges Austreten von Grundwasser, eventuell mit Feststoffanteilen, kann resultieren.
Resümee
Fachgerechte Planung, qualifizierte Ausführung und Bauüberwachung sind daher Grundvoraussetzung für langfristig niedrige Betriebskosten und schützt vor Schäden, denn letztlich haftet der Grundstückseigentümer dafür. Es wird in diesem Zusammenhang empfohlen, eine erfahrene, zertifizierte Bohrfirma zu verwenden.
Sind alle diese Voraussetzungen gegeben, tragen Wärmepumpen in Verbindung mit Erdwärmesonden sowohl zur Einsparung von Primärenergie als auch von Heizkosten bei.-
Links
https://www.diekaelte.de/ WEBCODE kk660
Hier finden Sie eine Checkliste für Erdwärmesonden vom Arbeitskreis Qualitätsmanagement Geothermie am Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg zum Download.
Prof. Dr. Ingrid Stober
ist in der Abteilung Umwelt am Regierungspräsidium Freiburg zuständig für das Fachgebiet Geothermie in Baden-Württemberg
Bruno Lorinser
ist im Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg zuständig für den Bereich erneuerbare Energien und rationelle Energieanwendung
