Erdwärmesonden-Anlagen und die dazugehörenden Wärmepumpen (WP) sind oft unnötig teuer und energetisch ineffizient. Überdimensionierungen von 100 Prozent sind bei größeren Anlagen keine Seltenheit, besonders wenn die Gebäudetechnik mittels vorgegebener Standardverfahren wie DIN 12831, VDI 2078 und DIN V 18599 berechnet wird. Diese Vorgehensweise führt zu maximalen Werten für die Auslegung von Wärmepumpen und Erdwärmesonden (EWS), mit fatalen Auswirkungen auf ihre Wirtschaftlichkeit und damit auch auf die Akzeptanz von Erdwärmeanlagen, so der Tenor auf dem Fachkongress „Oberflächennahe Geothermie“, der im Rahmen der Geotherm in Offenburg stattfand.
Auch der Gesamtprozess EWS-/WP-Planung müsse auf den Prüfstand, denn die Beschaffung und das Zusammenführen geologischer und hydrogeologischer Daten sowie das Genehmigungsprozedere seien extrem aufwendig, oft lückenhaft und damit teuer. So gut wie nicht erfasst werden in den meisten der existierenden Auslegungsprogramme die Wechselwirkung geothermischer Anlagen untereinander. Auch die Folgenabschätzung von zu hohen Entzugsleistungen bei einem Verzicht auf Regeneration des Erdreichs sowie die Interaktion von EWS-Feldern mit Stadtquartieren und Versorgungsnetzen werde nur in Ausnahmefällen berücksichtigt.
Aus der Schweiz kommt die Nachricht, dass die oberflächennahe Geothermie bei enger bzw. verdichteter Bebauung und einer Häufung von Erdwärmesonden-Anlagen ab einer bestimmten Bedarfsdichte nicht mehr sinnvoll ist und der Fernwärmeversorgung vorbehalten sein sollte. Ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der Effizienz von Erdwärme nutzenden Anlagen ist neben dem Know-how-Aufbau bei Erstellern und Planern das Anlagenmonitoring, das nach Meinung der Protagonisten von erdgekoppelten Wärmepumpen in jeder Anlage standardmäßig eingesetzt sein sollte.
Weniger Investition und mehr Komfort durch Simulation
Eine der überzeugendsten Präsentationen über die Berechnung von Erdwärmesondenfeldern für Wohnanlagen mittels Gebäudesimulation lieferten die Referenten Andreas Lahme, alware GmbH, Braunschweig, und Dr. David Kuntz, tewag GmbH, Starzach-Felldorf. Am Beispiel einer Wohnsiedlung mit 20 Häusern, 8 500 m2 Wohnfläche für etwa 180 Personen, führten die Referenten den Nachweis, dass durch eine Gebäudesimulation der Liegenschaft nicht nur der Raumkomfort verbessert, sondern auch Investitionskosten in erheblichem Maße eingespart werden können. Vergleichende Berechnungen nach Norm-Heizlast ohne sommerliche Kühlung (Fall 1), mittels Gebäudesimulation mit passiver Kühlung (Fall 2) sowie einer Optimierung der Energiekonzept-Simulation (Fall 3) zeigen folgendes Bild:
Nicht jeder Planer wird von dieser Vorgehensweise begeistert sein, denn ein Verzicht auf unnötige Sicherheitszuschläge und damit einem geringeren Materialeinsatz bedeuten in der Regel auch weniger Honorar. „Diese Art der Berechnung erfordert bei den Planern ein Umdenken“, so das Fazit der beiden Referenten, und weiter: „Der Nachfolger von Effizienz heißt Suffizienz.“
Mehr Planungssicherheit durch geothermisches Informationssystem
Die Auslegung, Bewertung und Genehmigung geothermischer Anlagen gilt in Fachkreisen aufgrund der Komplexität und der langen Betrachtungszeiträume als zeitraubend und mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Vielfach liegt der Fokus nur auf der singulären Anlage, und die Wechselwirkungen mit anderen geothermischen Anlagen werden entweder ausgeblendet oder nur stark vereinfacht in einem Nachweis abgebildet. Dynamische Betrachtungen der Kopplung von Gebäuden mit dem Untergrund sowie die Interaktion von Erdwärmesonden in Stadtquartieren und Versorgungsnetzen sind eher die Ausnahme. Auch die Wechselwirkungen von Erdwärmesonden zu anderen geothermischen Anlagen werden meist nur unzureichend ermittelt.
Das Verbundvorhaben GeTIS, Geothermisches Informationssystem zur Bemessung, Modellierung, Bewertung und Genehmigung vernetzter geothermischer Anlagen (Fördergeber: BMWi/Projektträger Jülich, FKZ:03ET1357A) ist dazu angelegt, als offenes Web-Geoportal die Planung und Realisierung von oberflächennahen Geothermieanlagen signifikant zu vereinfachen, den Planungsprozess zu beschleunigen und die Ergebnisse zu vereinen.
Sebastian Weck-Ponten, RWTH Aachen, Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen, sieht in der zentralen Datenbereitstellung des GeTIS-Systems ein entscheidendes Tool für die Zielgruppen Behörden, Fachplaner und interessierte Privatpersonen, Investitionen in geothermische Anlagen durch eine hohe Vorhersage- und Planungsgenauigkeit abzusichern.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt bietet GeTIS den Nutzern folgende Daten an:
Durch die Kopplung dieser Daten mit Simulationsprogrammen lassen sich beispielsweise folgende Ergebnisse darstellen:
Wichtig bei urbanen, stark verdichteten Bebauungen sei die Option des GeTIS-Programms, Simulationsergebnisse auch als horizontale und vertikale Schnitte durch das Berechnungsgebiet mit Informationen zu Temperaturen und Grundwasserströmungen anzuzeigen, so Weck-Ponten.
Schweiz plant Regenerationspflicht für Erdwärmesonden-Anlagen
Die Schweiz als Weltmeister in der Nutzung von Erdwärmesonden will künftig die Erdwärmenutzung von den zu erwartenden Wärmebedarfsdichten in den jeweiligen Bauzonen abhängig machen. Hintergrund für diese Maßnahme ist der forcierte Ausbau der oberflächennahen Geothermie in den Ballungsgebieten mit aktuell rund 25 000 km Sondenlänge (kumuliert) und einem jährlichen Zuwachs von etwa 2 500 km. „Die Erdwärme in Ballungsgebieten ist begrenzt, je nach Fließgeschwindigkeit des Grundwasserstroms und der Dichte der Bebauung“, sagt Dr. Joachim Poppei, Leiter der Abteilung „Grundwassermodellierung und Sicherheitsanalysen“ bei CDS Ingenieure AG, Aarau/Schweiz.
Die anthropogene (von Menschen verursachte) Erwärmung des Erdreichs habe bei Erdwärmesonden nur einen geringen Effekt. Genau betrachtet sei die Ressource „Erdwärme“ endlich, zumindest in Ballungsgebieten. Poppei empfiehlt deshalb strategische Planungen zugunsten einer nachhaltigen und gleichberechtigten Nutzung des Untergrunds. Dabei gelte es, den Besonderheiten der Technologie, der Planungssicherheit von Investoren und Projektbeteiligten sowie den raumplanerischen Aspekten gerecht zu werden. Als Richtwerte für eine nachhaltige Bewirtschaftung des Erdreichs nennt Poppei:
Zur Bewertung, ob sich eine Grundstücksfläche für EWS eignet, schlägt Poppei die Bemessungsgröße „grundstücksbezogener Wärmeentzug“ vor, aus der sich die Temperaturabkühlung im Erdreich durch künftige Nachbarsonden über einen Zeitraum von 50 Jahren ableiten lässt. Die notwendigen Regenerationsraten werden in vier Klassen von R1 (keine erhöhte Anforderung) über R2 (erhöhte Anforderung), R3 (stark erhöhte Anforderung) bis R4 (Regenerationspflicht) ausgewiesen.
Wichtig sei, das Werkzeug zur Ermittlung des „grundstücksbezogenen Wärmeentzugs“ und der nachbarschaftlichen Nutzung des Erdreichs möglichst einfach zu halten. Wie es heißt, soll das Verfahren bei der Revision der SIA-Norm 384/6 „Erdwärmesonden“ Eingang finden.
Dr. Martin Sabel, Geschäftsführer des Bundesverbands Wärmepumpen, wies in der Diskussion darauf hin, auch die Auswirkungen durch die Kühlung mit EWS zu berücksichtigen. Denn gerade im urbanen Raum entstehe durch die sommerliche Kühlung von Gebäuden mittels EWS ein hohes Regenerationspotenzial für das Erdreich.
Quartierslösung mit Strom, Wasser, Abwasser und Geothermie
Einzellösungen mit Erdwärmesonden für Einfamilienhäuser sind heute kaum mehr wirtschaftlich darstellbar. Die Unterfränkische Überlandzentrale eG, Lülsfeld (ÜZ), ein Stromversorger in 143 Ortsteilen in den Landkreisen Schweinfurt, Kitzingen, Main-Spessart, Haßberge und Würzburg, will deshalb für Quartiere im ländlichen Raum ein „Rundum-sorglos-Paket“ für Bauleute von Eigenheimen anbieten.
Hintergrund ist ein hoher Anteil an Strom aus EEG-Anlagen im Versorgungsgebiet, der möglichst wertsteigernd in der Region verbraucht werden soll. Das Angebot: In neu entstehenden Baugebieten werden die Bauplätze nicht nur mit Strom-, Wasser- und Abwasser-Anschlüssen versorgt, sondern optional auch mit einer bis zu 100 m tiefen Erdsondenanlage für einen Jahres-Heizwärmebedarf von etwa 15 000 kWh. Im Idealfall werden die Erdwärmesonden in einem Neubaugebiet in einem Zuge erstellt, was bedeutend wirtschaftlicher ist als individuelle Bohrungen, so Alexander Wolf, Energieberater bei der ÜZ.
Das Angebot wird von der ÜZ durch eine Probebohrung sowie die geothermische Simulation der EWS abgesichert. Gleichzeitig übernimmt die ÜZ das Genehmigungsverfahren, vergibt die Bohrarbeiten unter Begleitung durch Sachverständige und kümmert sich auch um die Qualitätssicherung und die Abnahme der EWS, inklusive der Schlussabnahme der Wärmepumpen mit Wärmepumpen-Check. Auch die Fördermittelberatung und der BAFA-Antrag gehören mit zum Paket. Wolf betont, dass es für derartige Siedlungen dennoch keinen Anschlusszwang gibt. Gekauft wird die EWS-Anlage zusammen mit dem Grundstück.
Wichtig für die ÜZ ist die Option Sektorkopplung, denn damit lasse sich das Angebot an EEG-Strom besser nutzen, so Wolf. Die von der ÜZ angebotenen Regeloptionen für die jeweilige Wärmepumpe umfassen vier Tarifzonen mit Smart-Grid-Ready-Funktionen, wie beispielsweise Erhöhung der Heizwassertemperatur im Pufferspeicher um 5 Kelvin zu Niedertarifzeiten oder um bis zu 20 Kelvin, wenn im Netz überschüssiger „kostenloser“ Strom aus EEG-Quellen zur Verfügung steht (negative Spotmarktpreise).
Als Beispiel nannte Wolf den 24.12.2017, als es am Strommarkt zu einer längeren Phase negativer Spotmarktpreise (– 46 €/MWh) kam. In Folge konnten im Versorgungsgebiet „Strühlein“ über die Smart-Grid-Funktion Wärmepumpen mit einer Gesamtleistung von 60 kW zugeschaltet werden. Für dieses innovative Geschäftsmodell wurde die ÜZ mit dem Bayerischen Energiepreis 2018 (Hauptpreis) ausgezeichnet.
Effizientere Erdwärme-Anlagen durch einfaches Monitoring
Bei richtiger Auslegung, fachgerechter Ausführung und optimalem Betrieb zählen Erdwärmesonden-Anlagen, also Wärmepumpen mit der Wärmequelle Erdwärmesonden, zu den wirtschaftlichsten Energiesystemen am Markt. Allerdings zeigt die Praxis, dass zwischen gut funktionierenden und optimal betriebenen Erdwärmesonden-Anlagen noch eine große Bandbreite besteht. Besonders bei Anlagen kleiner Leistung ist der Nutzer oftmals damit zufrieden, dass ausreichend Wärme zur Verfügung steht; die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe spielt dabei eine eher untergeordnete Rolle. Meist wird diese vom Gerät auch nicht angezeigt, so dass Abweichungen von der Soll-Leistungszahl (COP) erst bei Betriebsstörungen, bei unkomfortablen Raumtemperaturen oder unerwartet hohen Stromrechnungen auffallen. Im Grunde wird der Kunde durch die fehlenden Leistungsangaben im Unklaren gelassen, ob er überhaupt das bekommt, was er bezahlt hat.
Frank Burkhardt, Geschäftsführer des Bohrunternehmens Burkhardt GmbH, Neuweiler, ist überzeugt, dass Erdwärmesonden-Anlagen mit wenig Aufwand signifikant optimiert werden können. Aus den Erfahrungen von Burkhardt lassen sich folgende Empfehlungen ableiten:
Voraussetzung für sehr gut funktionierende Erdwärmeanlagen sei ein kontinuierliches Monitoring, denn aus den Datenaufzeichnungen von Erdwärmesonden und Wärmepumpen lassen sich relativ einfach Rückschlüsse für Optimierungen ziehen.
Da die meisten Wärmepumpen-Hersteller bislang dem Monitoring eher ablehnend gegenüberstehen, hat Burkhardt zusammen mit dem Geologen André Voutta, Herrenberg, ein preisgünstiges Monitoring-Gerät in Form eines Heiz-Tagebuchs mit Fernzugriff entwickelt. „Allein durch das Mitschreiben von Daten der Wärmequelle und der Wärmeverbraucher lassen sich viele Anlagen durch Nachjustieren optimieren“, so Burkhardt. Wichtig sei, dass die Daten von Fachleuten interpretiert werden.
Altbergbau als Wärmequelle
Am 21. Dezember 2018 schloss in Bottrop das letzte deutsche Steinkohlebergwerk. Damit ging eine 150 Jahre lange Ära zu Ende. Die Grubenwasserpumpen müssen jedoch weiterlaufen, um den Abstand zum Grundwasser aufrecht zu erhalten. Nach einem Bericht in der Fachzeitschrift Ingenieur.de werden im Ruhrgebiet jährlich rund 100 Mio. m3 Grubenwasser gehoben. Da ist es naheliegend, das leicht zu erschließende Wärme- bzw. Kältepotenzial der aufgelassenen Gruben für hydrogeothermale Zwecke zu nutzen. Realität ist, dass viele relativ warme Grubenwässer bisher ungenutzt in Bäche und Flüsse fließen.
Ein Beispiel für die geothermische Nutzung von Grubenwasser ist das Alte Rathaus in Bad Ems. Wegen der hohen Auslegungsvorlauftemperatur der Bestandsheizung von 70 °C ging Dipl.-Geologe Stephan Pohl, geoconsult Pohl, Bendorf-Sayn, zunächst von der Notwendigkeit eines bivalenten Betriebs aus (95 % Wärmepumpe, 5 % Heizkessel, 132 kW Heizleistung). Im realen Betrieb zeigte es sich, dass durch Absenkung der maximalen Heiztemperatur auf 55 °C im Zusammenhang mit einem Hydraulischen Abgleich eine hundertprozentige Versorgung des Altbaus mittels Wärmepumpe möglich ist.
Die eigentliche Herausforderung des Projekts war laut Pohl jedoch nicht die Dimensionierung der Wärmepumpe, sondern die Auslegung des Rohrbündel-Wärmeübertragers in der Rösche (Rinne zur Wasserableitung von Grubenwasser). Wegen der zu erwartenden Ablagerungen in Form von Mineralien an den Rohren und der Vorgabe, dass eine regelmäßige Reinigung der Wärmeübertrager-Rohre aus Kostengründen vermieden werden sollte, entschied sich Pohl für in die Rösche eingelegte Rohrbündel-Wärmeübertrager aus Edelstahl (1) und aus Kupfer (4).
Jedes Bündel besteht aus zehn Rohren, à 12 m Länge, Edelstahl mit 35 mm Durchmesser, Kupfer mit 40 mm Durchmesser. Zur Absicherung der entziehbaren Energie wird die Rösche-Wassertemperatur vor und nach den Wärmeübertragern gemessen. Bei Bedarf könnten in der 700 m langen Rösche noch weitere Wärmeübertrager installiert werden, so Pohl. Die Kosten für die individuell gebauten Rohrbündel-Wärmeübertrager liegen nach Angaben von Pohl bei rund 150 000 Euro. Die Lösung Rohrbündel-Wärmeübertrager mit geschlossenem Kreislauf und Wasser als Wärmeträger (auf Frostschutzmittel muss wegen des Heilquellen-Schutzgebietes verzichtet werden), hat sich nach den bisherigen Erfahrungen bewährt.
Wirtschaftlicher durch tiefere Bohrungen
Je mehr Erdwärmesonden in einem Wohngebiet niedergebracht werden, desto stärker beeinflussen sich die EWS gegenseitig. Für große Projekte in urbanen Gebieten mit einem hohen Energiebedarf bleibt oft nur die Wahl, tiefer als die in Deutschland durch das Bergrecht vorgegebene maximale Tiefe von 100 m zu bohren. In der dicht bebauten Schweiz sind degegen Bohrtiefen bis zu 300 m, neuerdings bis zu 400 m keine Seltenheit.
Benjamin Pernter, Jansen AG, Oberriet/Schweiz, sieht in tieferen Erdwärmesonden den Vorteil, dass sich aus den relativ hohen Erdtemperaturen von 25 bis 30 °C neue Anwendungsmöglichkeiten ergeben, so zum Beispiel Luftvorwärmung, Frostfreihaltung von Lagerhallen und Fabriken, Enteisung von Verkehrsflächen und Flughäfen, Prozesswärme, Unterstützung bei Gärprozessen, Aquakulturen, Schwimmbäder oder Fußbodenheizungen. Allerdings müsse bei diesen Bohrtiefen damit gerechnet werden, dass im Erdreich eingelagerte Gase durch konventionelle Rohre aus PE diffundieren.
Jansen hat für tiefe EWS deshalb eigens eine Erdwärmesonde mit Metallzwischenschicht entwickelt, um ein Eindringen von Gasen durch die Rohrwandung zu verhindern. Zusammen mit dem Hochdruck-Sondenfuß werden damit Druckanforderungen bis zur Druckstufe PN 35 abgedeckt.
Entscheidender Vorteil der „hipress“-Sonde sei, so Pernter, der geringe hydraulische Widerstand, da das Sondenrohr durchgängig zylindrisch ist und nur eine Wanddicke von 3,5 mm aufweist. Mehr noch: Durch die bionische Innenoberfläche der Rohre in Anlehnung an die Schuppen der Haifischhaut sei der Reibungswiderstand um sieben Prozent geringer als bei einem konventionellen glatten PE-Sondenrohr. Daraus ergeben sich eine Stromeinsparung bei der Umwälzpumpe von 15 Prozent, und wegen der größeren Oberfläche eine bessere Wärmeübertragung vom Erdreich zum Fluid. Rein wirtschaftlich lohne sich die hipress-EWS mit „Shark“-Innenoberfläche ab Bohrtiefen von 200 m.
Fazit
Nach der Qualitätskontrolle am Bohrloch konzentriert sich die Branche nun auf die Effizienzverbesserungen bei Erdwärmeanlagen, auf mehr Wirtschaftlichkeit durch die Simulation von Gebäuden, auf Erdwärmesonden und Wärmepumpen sowie auf geothermische Informationssysteme mit Schnittstellen zur energetischen Gebäude- bzw. Qualitätssimulation. Neue Geschäftsmodelle wie die kollektive Erschließung von Erdwärmesonden-Anschlüssen für Siedlungen und Quartiere durch Energieversorger geben der Geothermie wichtige Impulse zu mehr Akzeptanz. In ehemaligen Bergbauregionen steht die Nutzung von warmem Grubenwasser für Wärmepumpen erst am Anfang, bietet jedoch interessante Entwicklungsperspektiven.
