Geothermie mit Erdkollektoren und Sensoren


Geothermie mit Erdkollektoren und Sensoren

In diesem Beitrag widmen wir uns der Funktion und Verwendung von Erdwärmepumpen.

Teil 1 der neuen Reihe: Regenerative Energiequellen, aber welche?

Fossile Brennstoffe wie Erdgas sind auf unserem Planeten nur begrenzt vorhanden und die Methoden ihrer Gewinnung (z.B. Hydraulic Fracturing) oftmals giftig für Grundwasser, Umwelt und Mensch. Auch der weltweite Vorrat an Uran reicht geschätzt nur noch für 60 Jahre – mal vom Atommüll abgesehen, ein weiterer Grund für raschen Atomausstieg.

Laut EnEV 2016, Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) und EU-Gebäuderichtlinie EPBD 2010 werden daher ab dem Jahr 2021 alle privaten Neubauten im Niedrigstenergiestandard errichtet. Diese Häuser werden auch Fast-Nullenergie-Gebäude genannt und entsprechen in etwa dem heutigen KfW-Effizienzhausstandard 55. Der Energiebedarf für Heizung und Warmwasser wird zukünftig aus erneuerbaren Quellen, am oder nahe dem Standort des Gebäudes, gedeckt. In diesem Beitrag widmen wir uns der Funktion und Verwendung von Erdwärmepumpen.

Eine Analyse zur Nutzung von PV-Anlagen folgt demnächst als separater Blog.

Wie funktioniert Geothermie?

Die äußere Erdkruste ist im Durchschnitt eher kühl, ihre Temperatur wird von Witterung und Sonnenschein beeinflusst. Doch in 100 Meter Tiefe liegt die Temperatur bei beständig 10-15°C und mit jedem weiteren 100-Meter-Schritt nach unten steigt die Temperatur um ca. 3°C an (je nach Region). Der Erdkern ist mit ca. 6000°C so heiß, das die daraus aufsteigende Wärmeenergie den Bedarf der Menschheit (Gebäude) auf lange Zeit decken kann. Der Energievorrat wird vom Bundesverband Geothermie gar als unerschöpflich eingeschätzt.

Nun ist es schlau, die Wärme aus der Erde oder gar der Außenluft zum Heizen von Gebäuden einzusetzen. Üblicherweise wird die Wärmeenergie auf ein vorbeigeleitetes Trägermedium, z.B. Sole-Gel übertragen. Im Verdampfer wird das erwärmte Kältemittel zu Gas umgewandelt, danach im Verdichter mit hohem Druck wieder verflüssigt – die Wärmeenergie lässt sich dabei abschöpfen. Für den Vorgang ist zusätzlich Strom notwendig, doch der Verbrauch liegt weit unter dem Ertrag an Wärmeenergie. Ein guter Wert wäre ein Teil externer Strom zu vier Teilen gewonnener Energie. Im Realfall kommt manchmal nur die Leistungszahl 2,5 kWh zustande, was aber immer noch ein Gewinn ist. Die verstärkte Wärmekraft wird nach dem Verdichten an Heizkörper bzw. Fußbodenheizung weitergeleitet.

Die Technik ist nicht neu, wird sie doch bei Kühlschrank und Klimaanlage ähnlich verwendet. Dies erklärt auch, warum die Erdwärme im Sommer auch zum Kühlen des Hauses eingesetzt werden kann.  Am Beispiel des Kühlschranks erkläre ich Ihnen die Funktionsweise der Wärmeübertragung. Nahrungsmittel mit Zimmertemperatur werden in das Gerät gestellt. In den hinteren Kühlrohren nimmt ein Ammoniakgemisch die freiwerdende Wärme auf und verdampft darauf hin, die Energie wird an der Rückseite des Kühlschranks wieder freigesetzt. Im inneren wird es dadurch kühler, dann die Wärme wurde entzogen. Nach demselben Prinzip funktioniert auch eine Klimaanlage, bloß mit deutlich erhöhtem Stromverbrauch und Freisetzung der Wärme an die frische Luft.

Heizen und Warmwasser mit der Wärmepumpe

Heizen und Warmwasser mit der Wärmepumpe

Geothermie

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen für private Anwendung: mit Erdkollektoren, Wärmesonden, per Grundwasserbohrung oder als oberflächennahen Geothermie mit erdberührenden Betonbauteilen. Vereinfach lässt sich sagen, dass horizontale Wärmespeicher (Kollektoren) niedrigere Temperaturen fördern als die Tiefenbohrung, sie sind aber auch weniger aufwändig umzusetzen. Die Wärmedämmung des Gebäudes entscheidet, ob eine Niedertemperatur-Pumpe zur Beheizung, z.B. im Winter, ausreichend ist. Ein zusätzlicher Heizkessel oder Kaminofen kann das Haus bei Bedarfsspitzten versorgen, z.B. bei langen Duschen und Bädern einer Großfamilie.

Nehmen Sie den Umweltschutz ernst?
Bei der Nutzung regenerativer Energiequellen wird grundsätzlich empfohlen die Duschtemperatur leicht zu reduzieren, um die Ersparnis voll auszunutzen. Außerdem sollten Sie im Winter die Umstellung auf 19 bis 20 °C Raumtemperatur statt 22° in Kauf nehmen.

Erdwärmesonde erklärt

Sole-Wasser Flächenkollektoren, werden bei oberflächennahe Geothermie in horizontale Aushebungen gelegt. Die gewundenen Rohre liegen unterhalb der Frostschicht ca. 1,2 Meter tief im Boden. Es entstehen einmalige Kosten für Aushub und Material, doch die Lebenserwartung des Systems ist lang. Die recht großen Fläche ist als Garten für tief wurzelnden Pflanzen nur noch eingeschränkt nutzbar. Ihr Grundstück muss aber nicht zur Wüste verkommen, die Verwendung für Hochbeete, als Autostellplatz oder Terrasse ist weiterhin möglich. Manko: Erdkollektoren lassen sich nur bei geeignetem Boden und größeren Freiflächen einsetzten.  

Luft-Wasser Wärmepumpen oder reine Luft-Luft Systeme entziehen angesaugter Umgebungsluft Temperatur und übertragen sie auf das Kältemittel (Wassergemisch). Bei kalter Witterung kann die Jahresarbeitszahl allerdings geringer als erwartet ausfallen. Vorteil solcher Wärmepumpen ist der geringeren Platz- und Planungsaufwand und günstige Installationskosten. Sie können auch im Rahmen einer energetischen Sanierung von Bestandsbauten ergänzt werden. Eine Luft-Luftwärmepumpe ist vom Einbau, Beschaffung, Kosten am günstigsten und einfachsten (keine Bohrung nötig, überall aufstellbar, wo es Luft gibt). Sie ist aber nicht so effizient wie andere Heizmethoden und nur bei gut isolierten Gebäuden anwendbar.

Erdsonden werden bei senkrechten Bohrungen eingesetzt und reichen bis zu 100 m tief ins Erdreich. Ein Sole-Wasser Gemisch leitet die entzogene Energie zur Wärmepumpe hin. Vertikale Bohrung ist genehmigungspflichtig und abhängig vom Gelände / Gestein und Grundwasserfluss. Nach der Bohrung wird ein Rohr mit Sonde und Verpressschlauch eingeführt. Zur Stabilisierung darum herum wird Pressmaterial aufgefüllt. Neben der Zahlung an Fachkräfte entstehen Ihnen hohe Investitions- und Erschließungskosten. Geizen Sie nicht an qualifiziertem Personal. Bei kleine Fehlern, z.B. ungenügender Wärmedämmung der Sonde, verlieren Sie Energiepotential – und die Wärmepumpe amortisiert sich kaum. Bei korrekter Ausführung und Verwendung einer Erdsonde mit Europäischem EHPA Gütesigel hat die Sole-Wasser-Wärmepumpe aber einen sehr guten Wirkungsgrad. Für die ähnlich effektive Wasser-Wasser Wärmepumpen benötigen Sie einen Brunnenanschluss zum Grundwasser, der regelmäßige Wartung erfordert.

Vorteile Wärmepumpen (je nach Modell)
erfüllt schon jetzt Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
umweltfreundliche Energiegewinnung
unbegrenzter Vorrat an Erdwärme
Beschaffung von Brennstoff aus dem Aus- und Umland entfällt (zum Großteil), weniger CO2
niedrige Energiekosten, nur ca. ¼ extern Strom oder Gas
Kopplung mit Solaranlage möglich
Heizungsraum bzw. Brennstofflager entfällt, mehr Platz im Keller
geringe Betriebs- und Wartungskosten
Autonomie gegen Strom & Gaspreiserhöhung
unabhängigen von Witterung und Sonnenschein (Tiefenbohrung)
wertet Verkaufspreis des Grundstücks auf
KfW Förderung
Mögliche Nachteile:
Konventioneller Stromverbrauch bleibt bestehen (ggf. höher als erwartet)
Lebensdauer beträgt je nach Modell 10-20 Jahre, finanzielle Amortisation ca. 20 Jahre
z.T. hohe Einstandskosten
genaue Abstimmung mit kontrollierter Wohnraumlüftung
Heiz- und Lüftungsgewohnheiten der Bewohner müssen sich ändern
nur bei guter Wärmedämmung sinnvoll
Grabung, Bohrung muss ggf. beantragt werden
Fußboden- oder Wandheizung schränkt die Einrichtung etwas ein (Teppiche)
Bepflanzung des Gartens z.T. eingeschränkt

Um den externen Stromverbrauch der Wärmepumpen zu decken oder zumindest zu senken, empfehlen wir die Kopplung an PV-Anlagen. Dann ist die Einsparung durch die Wärmepumpe den stetig steigenden Strompreisen überlegen. Der Bundesverband Erneuerbare Energie gibt in seiner Studie vom 01. Februar 2018 Vorschläge zur Umsetzung der Sektorenkopplung. Die Reduzierung des konventionellen Strombedarfs ist auch durch Mini-PV-Anlagen für Balkon und Terrasse möglich.

Prominenter Vertreter Günter Grass über Erdwärme im Altbau,
von 2008

Einige geothermische Anlagen können gegen alte Heizanlagen ausgetauscht werden, wenn die Wärmedämmung oder zumindest der Heizkörper des Hauses saniert wird. Das Energiekonzept eines Gebäudes ist entscheidend.


Tipp bei Fußbodenheizung in hohen Räumen

Die Wärmepumpe bringt eine angenehme Temperatur ins Haus. Warmluft wird in Neubauten i.d.R. über Flächenheizungen in Wand oder Boden erzeugt. Doch ob die Wärme aus der Fußbodenheizung oder konventionellen Heizkörpern stammt, sie hat die Eigenschaft nach oben zu seigen. Dort bringt sie den Hausnutzern reichlich wenig, das Problem ist vor allem bei hohen Decken bekannt Ein Deckenventilator im Rückwärtslauf bringt warme Luft ohne Zug wieder runter in den bewohnten Bodenbereich. Deckenventilatorn lassen sich in der Heizperiode mit jeder Heizart zur Wärmerückführung einsetzten. Die Verbindung mit zentraler Lüftungsanlage ist kein Problem. Die zweite Möglichkeit, trickreich gewonnene Wärme optimal zu nutzten, sind Wärmetauscher für Zu- und Abluft, z.B. mit Keramikspeicher.

Zum Weiterlesen:
https://www.welt.de/finanzen/immobilien/article154922966/Der-teure-Wahnsinn-mit-den-Waermepumpen.html
http://www.bund-rvso.de/waermepumpe-elektrisch-kosten.html
http://www.vpb.de/experteninterview-waermepumpe.html

Grafik Wärmepumpensysteme
fotolia.com (#21142625 | Urheber: Dirk Schumann)




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