Geothermie – wie sinnvoll ist das Heizen mit Erdwärme?

Von Dominik Hochwarth

Die Zeit von fossilen Brennstoffen wie Heizöl und Erdgas läuft in absehbarer Zeit ab. Irgendwann wird nur noch mit regenerativen Energien wie Solarstrom, Strom aus Photovoltaik oder auch Erdwärme geheizt. In diesem Beitrag geht es um die Geothermie und all die Fragen, die einem dabei auf der Zunge brennen. Insbesondere geht es in diesem Artikel um den privaten Bereich und um Erdwärmepumpen. Industrielle Anwendungen wie Tiefengeothermie werden allerdings ebenfalls kurz angesprochen.

Erdwärme
Wie sinnvoll ist es, sein Haus mit Erdwärme zu heizen?

Das erwartet Sie in diesem Beitrag

Was ist Geothermie und wie funktioniert sie?

Geothermie ist eine Form der Energiegewinnung, bei der die in der Erdkruste gespeicherte Wärmeenergie genutzt wird. Sie kann für Heiz- und Kühlzwecke sowie zur Stromerzeugung eingesetzt werden. In Deutschland steigt die Temperatur in der Erdkruste im Durchschnitt um 3 Kelvin pro 100 Meter Tiefe an. Dadurch eröffnen sich verschiedene Temperaturniveaus für die oberflächennahe und tiefe Geothermie.

Die oberflächennahe Geothermie bezieht sich auf die Nutzung der Erdwärme in Tiefen von bis zu 400 Metern. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Temperaturen muss die Wärme aus dieser Tiefe auf ein nutzbares Temperaturniveau gebracht werden. Zur Beheizung von Gebäuden mittels oberflächennaher Geothermie sind daher Wärmepumpen erforderlich. Die oberflächennahe Geothermie, zusammen mit Umweltwärme aus der Luft oder Oberflächengewässern, fällt unter den Begriff der Umgebungswärme.

Im Gegensatz dazu erstreckt sich die tiefe Geothermie in größere Tiefen und umfasst die Erschließung von Wärmereservoiren. Bohrlöcher mit Tiefen von bis zu fünf Kilometern werden dabei angelegt. Die Anlagen, die mit Tiefengeothermie betrieben werden, sind ebenfalls größer und leistungsfähiger. Sie versorgen Wärmenetze und ganze Stadtviertel mit Heizwärme. Bei ausreichend hohen Temperaturen kann mit Hilfe eines Geothermiekraftwerks auch Strom erzeugt werden.

Die tiefe Geothermie geht somit über die Möglichkeiten der oberflächennahen Erdwärmenutzung hinaus und eröffnet neue Dimensionen. Es werden nicht nur größere Tiefen erschlossen, sondern auch leistungsfähigere Anlagen eingesetzt. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung von Erdwärme auf größeren Skalen und eröffnet verschiedene Einsatzmöglichkeiten in der Energieversorgung.

Welche Arten der Nutzung von Erdwärme gibt es?

Für private Haushalte macht nur die Nutzung der oberflächennahen Nutzung der Erdwärme in Kombination mit einer Wärmepumpe Sinn. Wir möchten uns an dieser Stelle daher erst einmal nur damit beschäftigen. Bei der Nutzung oberflächennaher Geothermie können verschiedene Ressourcen wie Grundwasser, Boden oder Festgestein verwendet werden. Je nach Standort und angewendeter Technik kommen Wärmepumpen in Kombination mit Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden oder Energiepfählen zum Einsatz.

Aufgrund der durchschnittlichen Temperatur von 7-12 °C bis zu einer Tiefe von etwa 100 Metern ist direktes Heizen nicht effizient möglich. Daher wird die Temperatur mit Hilfe einer Wärmepumpe auf das erforderliche Niveau angehoben, normalerweise auf etwa 35 °C. Wärmepumpen können sowohl elektrisch als auch mit Gas- oder Hybridtechnologie betrieben werden, wobei letztere besonders für bestehende Gebäude geeignet sind.

Für die Raumkühlung ist der Temperaturbereich von 7-12 °C oft ausreichend, ohne dass eine zusätzliche Kältemaschine benötigt wird. Es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, um die Wärmequellen (Grundwasser, Boden, Festgestein) zu erschließen.

Die wichtigsten Typen von Wärmequellenanlagen sind:

  • Erdwärmekollektor
  • Erdwärmesonde
  • Grundwasser-Wärmepumpe
  • erdberührte Betonbauteile („Energiepfahl“)
  • thermischer Untergrundspeicher

Im Übergangsbereich von der oberflächennahen zur tiefen Geothermie gibt es auch Sonderfälle, wie zum Beispiel tiefe Erdwärmesonden (über 400 Meter Tiefe, zum Beispiel in stillgelegten Bohrlöchern) oder die Nutzung von Gruben- oder Tunnelwässern zur Erdwärmegewinnung.

Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mit Wärmepumpe
Drei Möglichkeiten der Erdwärmenutzung in Kombination mit einer Wärmepumpe

Kollektor, Sonde oder Grundwasser?

Wer im privaten Bereich Erdwärme nutzen möchte, muss diese auf eine der im vorherigen Kapitel angesprochenen Arten nutzen. Am häufigsten kommen hier aber wahrscheinlich Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden oder Grundwasser-Wärmepumpen zum Einsatz. Diese Möglichkeiten möchten wir hier einmal etwas genauer betrachten.

Erdwärme über Kollektoren nutzen

Flächenkollektoren sind horizontale PE-Schläuche, in denen ein Wasser-Glykolgemisch zirkuliert. Die Größe des Flächenkollektors, der Erdwärme zur Kühlung entzieht, hängt von der Geologie und dem Wärmebedarf der Immobilie ab. Abhängig von der Dämmung kann dies das 1,5- bis 2,5-fache der zu beheizenden Nutzfläche betragen. Um den Flächenkollektor richtig zu dimensionieren, sollte die VDI 4640 [1] verwendet werden.

Ein Flächenkollektor nutzt das Erdreich in einer Tiefe von etwa 1,20 bis 1,50 Metern als Speicher für Sonnenenergie und Wärmetransportmedien wie Regen- und Grundwasser. Daher sollte diese Fläche der Sonneneinstrahlung zugänglich sein und bestimmte Anforderungen an Bepflanzung und Bebauung erfüllen. Daher eignet sich der Einsatz von Flächenkollektoren eher auf größeren Grundstücken, da dort die Nutzungseinschränkungen langfristig besser bewältigt werden können.

Die Installation eines Flächenkollektors in bereits bebauten Bereichen oder bei Heizungssanierungen gestaltet sich schwieriger, da bestehende Gärten zerstört werden müssen und der An- und Abtransport des ausgegrabenen Erdreichs problematisch sein kann, wenn wenig Platz vorhanden ist. Eine optimale Anwendung für einen Flächenkollektor ist daher der Neubau mit ausreichender Grundstücksfläche, da die Verlegung kostengünstig in den Baufortschritt integriert werden kann.

Erdwärme über Sonden nutzen

Wenn die Fläche für einen horizontalen Erdwärmekollektor nicht vorhanden ist oder aufgrund ihrer Nutzung ausgeschlossen ist, besteht die Möglichkeit einer senkrechten oder schrägen Anordnung. Diese Art von Kollektor wird als Erdwärmesonde bezeichnet. Erdwärmesonden reichen in Tiefen von 10 bis 100 Meter. Die Gewinnung von Erdwärme mit Sonden ist weniger anfällig für saisonale Temperaturschwankungen. Die Funktionsweise basiert dabei auf dem gleichen Prinzip wie bei Flächenkollektoren, nur dass die Sonden vertikal in den Boden eingeführt werden.

Für die Planung und Einbringung von Erdwärmesonden sind bestimmte Voraussetzungen erforderlich. Dazu zählen das genaue Wissen über die Bodenbeschaffenheit, die Schichtenfolge, den Bodenwiderstand sowie das Vorhandensein von Grund- und Schichtenwasser und die Bestimmung der Fließrichtung. Da bei der Bohrung in der Regel grundwasserführende Schichten erreicht werden, ist es erforderlich, eine wasserrechtliche Erlaubnis für den Betrieb der Erdwärmesondenanlage einzuholen. Insbesondere für bestehende Gebäude und Neubauten in Ballungsräumen mit begrenztem Freiflächenangebot eignen sich Erdwärmesonden besonders gut.

Erdwärme über eine Brunnenanlage nutzen

Grundwasser ist eine hervorragende Erdwärmequelle für den Betrieb von Wärmepumpen, da es das ganze Jahr über eine Temperatur von 8 bis 12 Grad Celsius aufweist. Bei diesem Verfahren wird Grundwasser durch eine Tauchpumpe aus einem Förderbrunnen entnommen, durch den Verdampfer der Wärmepumpe oder einen Zwischenwärmetauscherkreis geleitet, dabei abgekühlt und über einen Schluckbrunnen wieder zurückgeführt. Bereits ab einer Tiefe von 20 Metern ist das Grundwasser weitgehend frei von Schwebeteilchen und daher grundsätzlich geeignet, um an den Wärmetauscher der Wärmepumpe herangeführt zu werden.

Die Nutzung von Erdwärme über Grundwasser hat den Vorteil, dass dieses Medium kontinuierlich mit einer Temperatur von etwa 10 Grad Celsius gefördert werden kann, während die Temperatur der Sole im Kreislauf der Erdsonden oder des Flächenkollektors in den Wintermonaten nur 0°C bis 4 Grad Celsius beträgt. Die Wärmepumpe muss dann nur noch dieses „hohe“ Temperaturniveau auf das Niveau des Heizwasservorlaufs „hochpumpen“, was zu geringeren Stromkosten für diese Arbeit führt.

Offenes oder geschlossenes System?

Die oberflächennahe Geothermie bietet theoretisch jedem die Möglichkeit, beispielsweise eine Fußbodenheizung zu betreiben. Um die Wärme aus der Erde zu nutzen, stehen zwei verschiedene Systeme zur Verfügung: das offene und das geschlossene System.

Das offene System beinhaltet den Bau eines etwa 25 Meter tiefen Brunnens, der 10 bis 15 Grad Celsius warmes Grundwasser nach oben pumpt. An der Oberfläche wird dem Grundwasser die Wärme entzogen und es wird anschließend in einem zweiten Brunnen wieder in die Tiefe zurückgeführt, wo es sich von selbst wieder aufheizt.

Im Gegensatz dazu besteht das geschlossene System nicht aus zwei getrennten Brunnen, die ins Grundwasser reichen, sondern aus einem einzigen langen Rohrkreislauf. Dieser kann entweder als Sonde kontinuierlich Flüssigkeiten in bis zu 160 Meter Tiefe führen, wo sie sich automatisch erwärmen und nach oben gepumpt werden, oder die Flüssigkeiten werden in einem horizontalen Kollektor durch eine 1,5 Meter tiefe Schicht geleitet.

Welche Vorteile bietet die Nutzung von geothermischer Energie?

Den einen oder anderen Vorteil von Geothermie haben wir bereits kurz angerissen, hier kommen sie kompakt und übersichtlich auf den Punkt gebracht:

Vorteil #1: Umweltfreundliche Energiequelle

Die Nutzung von Geothermie als Energiequelle ist umweltfreundlicher im Vergleich zu konventionellen Energieträgern wie Kohle und anderen fossilen Brennstoffen. Geothermische Kraftwerke haben zudem einen geringen Kohlenstoff-Fußabdruck. Obwohl die geothermische Energiegewinnung mit einer gewissen Umweltbeeinträchtigung einhergeht, ist diese im Vergleich zu fossilen Brennstoffen relativ gering.

Vorteil #2: Erneuerbare Energie

Geothermische Energie ist eine erneuerbare Energiequelle, die solange zur Verfügung stehen wird, bis die Sonne in etwa 5 Milliarden Jahren erlischt. Die heißen Reservoire in der Erde werden auf natürliche Weise regeneriert, was sie sowohl erneuerbar als auch nachhaltig macht.

Vorteil #3: Großes Potenzial

Der weltweite Energieverbrauch liegt derzeit bei etwa 15 Terawatt, was nur einen Bruchteil des Gesamtpotenzials darstellt, das aus geothermischen Quellen gewonnen werden kann. Obwohl derzeit die meisten Ressourcen nicht nutzbar sind, gibt es Hoffnung, dass sich dies mit fortschreitender Forschung und Entwicklung in der Branche ändern wird. Schätzungen zufolge könnten geothermische Kraftwerke eine Leistung zwischen 0,0035 und 2 Terawatt erbringen.

Vorteil #4: Nachhaltigkeit und Stabilität

Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie ist Geothermie eine zuverlässige Energiequelle. Sie steht jederzeit zur Verfügung und kann genutzt werden, da die Ressource im Gegensatz zu Wind- oder Sonnenenergie kontinuierlich verfügbar ist.

Vorteil #5: Heiz- und Kühlmöglichkeiten

Die effiziente Nutzung von Geothermie zur Stromerzeugung erfordert hohe Wassertemperaturen über 150°C, um Turbinen anzutreiben. Alternativ kann auch der Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und einer Erdwärmequelle genutzt werden. Da das Erdreich gegenüber jahreszeitlichen Temperaturschwankungen robuster ist als die Luft, kann es bereits in geringer Tiefe, etwa zwei Meter unter der Erdoberfläche, als Wärmequelle/-senke mit Hilfe einer geothermischen Wärmepumpe dienen.

Vorteil #6: Zuverlässigkeit

Die aus Geothermie gewonnene Energie ist berechenbarer als andere Energiequellen wie Sonne und Wind. Daher können wir den Stromertrag einer geothermischen Anlage mit hoher Genauigkeit vorhersagen.

Vorteil #7: Kein Bedarf an Brennstoff

Da Erdwärme eine natürliche Ressource ist, ist kein Brennstoff erforderlich, im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die abgebaut oder anderweitig aus der Erde gewonnen werden müssen und eine begrenzte Verfügbarkeit aufweisen.

Vorteil #8: Unabhängigkeit vom Energieversorger

Wer mit einer eigenen Erdwärmesonde in Kombination mit einer Wärmepumpe heizt, macht sich unabhängig von einem Energieversorger. Das heißt, Preissteigerungen auf dem Energiemarkt werden elegant umschifft.

Welche potenziellen Herausforderungen und Risiken sind mit der Geothermie verbunden?

Die Nutzung von Erdwärme hat nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile, insbesondere Tiefengeothermie ist regelmäßig im Zentrum der Kritik. Hier kommen einige Herausforderungen und Risiken der Geothermie:

Nachteil #1: Standortabhängigkeit

Der größte Nachteil der geothermischen Energie ist ihre Standortgebundenheit. Geothermische Anlagen müssen an Orten errichtet werden, an denen die Energie zugänglich ist. Daher ist es in einigen Gebieten nicht möglich, diese Ressource zu nutzen. Wenn Sie jedoch an einem Ort mit leicht zugänglicher geothermischer Energie leben, wie zum Beispiel in Island, stellt dies kein Problem dar.

Nachteil #2: Ökologische Auswirkungen

Obwohl geothermische Energie in der Regel keine Treibhausgase freisetzt, werden bei der Erschließung Gase, die unter der Erdoberfläche gespeichert sind, in die Atmosphäre freigesetzt. Diese natürlichen Gase werden zwar auch auf natürliche Weise freigesetzt, aber in der Nähe von geothermischen Anlagen ist die Freisetzung höher. Dennoch sind diese Gasemissionen weitaus geringer als die der fossilen Brennstoffe.

Nachteil #3: Erdbebenrisiko

Die Nutzung geothermischer Energie birgt auch das Risiko von Erdbeben, das auf Veränderungen der Erdstruktur durch Bohrungen zurückzuführen ist. Dieses Problem tritt hauptsächlich bei erweiterten geothermischen Kraftwerken auf, bei denen Wasser in die Erdkruste gepresst wird, um Risse zu öffnen und die Ressource besser zu nutzen. Da sich die meisten geothermischen Kraftwerke jedoch nicht in der Nähe von dicht besiedelten Gebieten befinden, sind die Auswirkungen dieser Erdbeben in der Regel gering.

Nachteil #4: Hohe Kosten

Die Erschließung geothermischer Energie ist eine kostspielige Angelegenheit, wobei die Kosten für eine Anlage mit zunehmender Tiefe der Erschließungsbohrung zunehmen. Die anfänglichen Investitionskosten können jedoch im Laufe der Zeit durch langfristige Rentabilität ausgeglichen werden.

Nachteil #5: Nachhaltigkeitsaufrechterhaltung

Um die Nachhaltigkeit der geothermischen Energie zu gewährleisten, muss die Flüssigkeit schneller in die unterirdischen Reservoire zurückgeführt werden, als sie entnommen wird. Eine ordnungsgemäße Verwaltung der geothermischen Energie ist daher erforderlich, um ihre Nachhaltigkeit aufrechtzuerhalten.

Wie hoch sind die Kosten für eine Erdwärmepumpe?

Auf den ersten Blick mögen die Kosten einer Erdwärmepumpe hoch erscheinen, doch die Geräte rentieren sich durch zukünftige Einsparungen bereits nach wenigen Jahren. Aber wie hoch sind die tatsächlichen Anschaffungs- und Betriebskosten und welches Sparpotenzial bietet diese Technologie? Hier finden Sie eine umfassende Übersicht. (Bitte beachten Sie, dass die angegebenen Kosten Richtwerte sind und regional variieren können. Sie dienen lediglich als Beispiel.)

Die Kosten einer Erdwärmepumpe setzen sich aus verschiedenen Faktoren zusammen. Zunächst ist der eigentliche Anschaffungspreis des Gerätes zu nennen, der etwa zwischen 12.000 und 15.000 Euro liegt. Hinzu kommen die Kosten für die Erschließung der genutzten Wärmequelle. Hierbei gibt es zwei Varianten: Erdkollektoren oder Erdwärmesonden. Erdkollektoren werden oberflächennah verlegt, während für Erdwärmesonden Tiefenbohrungen erforderlich sind. Die Kosten hierfür können je nach angewendeter Technik zusätzlich 2.000 bis 10.000 Euro betragen.

Der Betrieb einer Erdwärmepumpe sowie die Wartung sind jedoch sehr kostengünstig. In einem durchschnittlichen Haushalt belaufen sich die jährlichen Betriebsstromkosten auf etwa 700 bis 900 Euro. Die jährliche Wartung schlägt mit etwa 150 bis 200 Euro zu Buche.

Trotz der anfänglichen Investitionskosten bieten Erdwärmepumpen erhebliche Einsparpotenziale. Durch die Nutzung der natürlichen Erdwärme als Energiequelle können Heizkosten deutlich reduziert werden. Der genaue Betrag der Einsparungen hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Größe des Gebäudes, dem Wärmebedarf und den individuellen Nutzungsgewohnheiten. In der Regel lassen sich jedoch Einsparungen von 30 bis 50 Prozent gegenüber herkömmlichen Heizsystemen erzielen.

ErdwärmepumpeKosten
Anschaffungspreis12.000 – 15.000 Euro
Erdkollektor erschließen und installieren2.000 – 5.000 Euro
Erdsonde erschließen und installieren3.500 – 10.000 Euro
Jährliche Betriebskosten (Durchschnitt)700 – 900 Euro
Jährliche Wartungskosten150 – 200 Euro

Rechtliche Aspekte beim Bau und Betrieb einer Erdwärmepumpe

Wollen Sie Erdwärme in Kombination mit einer Wärmepumpe nutzen, werden grundsätzlich das Wasserhaushaltsgesetz und das Bundesbergbaugesetz berücksichtigt. Je nach Region können zusätzliche Verordnungen erforderlich sein, um den Schutz des jeweiligen Gebiets zu gewährleisten. Um unnötige Planungskosten und Verzögerungen zu vermeiden, sollten Sie sich daher frühzeitig bei der zuständigen Verwaltungsbehörde informieren. Viele Fachbetriebe bieten auch den Service an, alle erforderlichen Genehmigungen während der Planungsphase einzuholen.

Eine bevorstehende Bohrung für eine Wärmepumpe kann möglicherweise Auswirkungen auf das Grundwasser haben. Bauherren sind auf der sicheren Seite, wenn sie das Vorhaben bei der zuständigen Wasserbehörde anmelden. Diese entscheidet dann, ob die Wärmepumpe gemäß dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) ohne Genehmigung gebaut werden kann. Für die Bearbeitung dieser Anmeldung sollte etwa vier Wochen eingeplant werden.

Gemäß dem Bundesberggesetz (BBergG) gilt Erdwärme als „bergfreier Bodenschatz“. Wenn die Erdwärme über eine Wärmepumpe gewonnen wird, ist in der Regel keine separate Genehmigung erforderlich. Allerdings müssen Bohrungen gemäß dem Bundesberggesetz der zuständigen Bergbehörde gemeldet werden. Dieser Schritt wird normalerweise vom beauftragten Bohrunternehmen übernommen.

Auch nach der Bohrung sind bestimmte Richtlinien zu beachten, um eine Geothermieanlage ordnungsgemäß zu betreiben. Der beauftragte Fachbetrieb muss die Ergebnisse der Bohrarbeiten für das zuständige geologische Landesamt dokumentieren. Dazu gehören Informationen zur geologischen Schichtenfolge, eventuelle Zwischenfälle während der Bohrarbeiten, Bohrgutproben sowie ein abschließender Bericht zur Fertigstellung der Bohrarbeiten.

Nach Inbetriebnahme der Wärmepumpe müssen Sie den Anlagenkreislauf im Auge behalten. Im Falle eines Lecks im Kreislauf sollten Sie die Anlage sofort außer Betrieb nehmen und die zuständige Verwaltungsbehörde informieren, um das weitere Vorgehen abzustimmen. Jegliche bauliche Veränderungen an der Anlage oder ihre Stilllegung müssen ebenfalls rechtzeitig der Verwaltungsbehörde mitgeteilt werden.

Wie sinnvoll ist das Heizen mit Erdwärme denn nun?

Bei der Auswahl der optimalen Heizungsart für Ihr Gebäude ist eine professionelle Beratung entscheidend, da eine Erdwärmeheizung nicht für jedes Gebäude gleichermaßen geeignet ist. Besonders lohnenswert ist eine Erdwärmeheizung für Gebäude mit einer guten Wärmedämmung und einem niedrigen Energiebedarf, was in der Regel auf Neubauten zutrifft. Zudem sollte das Haus über eine Niedertemperaturtechnik verfügen, um eine geringe Heizwassertemperatur zu gewährleisten. Zusätzlich benötigt der Hausbesitzer ausreichend Platz im Garten und eine Genehmigung für die Absorber-Technik.

Für die Planung der Erdwärmeheizung ist es wichtig, den Wärmebedarf des Gebäudes und das Wärmepotenzial des Bodens zu berücksichtigen. Im Falle eines Neubaus führt ein Statiker die entsprechende Berechnung durch, während bei einem Altbau ein Energieberater hinzugezogen wird. Das Wärmepotenzial des Bodens, auch als Kälteentzugsleistung bezeichnet, kann bei der Unteren Wasserbehörde, dem geologischen Landesamt oder mithilfe von Internetkarten ermittelt werden.

Des Weiteren ist es bei der Planung wichtig, die Genehmigung für Erdwärmesonden einzuholen, die Positionierung der Erdwärmebohrung sorgfältig zu kalkulieren und die Länge der Erdwärmesonden zu bestimmen. Hier ist die Beratung eines Fachbetriebs unerlässlich.

Eine Erdwärmeheizung kann beispielsweise mit einer Photovoltaik-Anlage kombiniert werden. Die PV-Anlage erzeugt Strom, der optimal für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden kann. Dadurch werden die Betriebskosten der Heizung minimiert und der Betreiber kann weitgehend autark sein.

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