Wärmepumpen

Erdwärme

Als Erdwärme wird die unterhalb der Oberfläche der festen Erde vorhandene thermische Wärmeenergie bezeichnet. Diese beruht im Wesentlichen auf der von der Sonne eingestrahlten Wärmeenergie und dem vom Erdinneren zur Erdoberfläche gerichteten terrestrischen Wärmestrom. Die von der Sonne eingestrahlte und die von der Erdoberfläche an die Atmosphäre abgegebene Wärmeenergie ist hierbei maßgebend für die Temperaturen in den oberflächennahen Schichten bis zu einer Tiefe von etwa 10-20 m. In den tieferen Schichten ist der terrestrische Wärmestrom maßgebend. Die Quellen des terrestrischen Wärmestroms sind u.a. die bei der Erdentstehung frei gewordene Energie und die durch den Zerfall radioaktiver Isotope frei gesetzte Energie. Unterhalb des Einflussbereichs der Sonneneinstrahlung, d.h. unterhalb etwa 10-20 m, nimmt in Deutschland die Temperatur im Mittel um rd. 3 °C pro 100 m Tiefe zu. Man spricht in diesem Zusammenhang vom „geothermischen Gradienten“. Je höher dieser Gradient ist, umso stärker steigt die Temperatur mit zunehmender Tiefe.  

Erschließung

Die zur Erschließung oberflächennaher Erdwärme am häufigsten genutzten Erdwärmepumpen-Systeme sind Erdwärmesonden; seltener werden Erdwärmekollektoren genutzt. Die Erdwärmesonden können zum Heizen und Kühlen von Gebäuden bzw. zum Speichern von Wärmeenergie genutzt werden. Erdwärmesonden werden in Bohrungen mit Tiefen meist unterhalb von 100 m, teils auch bis 150 m und Bohrdurchmessern bis 220 mm eingebaut. Die Sonden bestehen in der Regel aus paarweise gebündelten U-förmigen Kunststoffrohrschleifen, die nahe der Erdoberfläche über Sammelleitungen an eine Wärmepumpe angeschlossen sind. Der nach Einbau der Sonden verbleibende Hohlraum zwischen den Sondenbündeln und der Bohrlochwand wird mit einer Bentonit-Zement-Suspension hohlraumfrei verpresst. Dies erfolgt zur thermischen Anbindung der Sonden an den Untergrund und zur Verhinderung einer hydraulischen Verbindung zweier oder mehrerer Grundwasserstockwerke. Ein Spezialfall der Erdwärmesonden stellen die sog. Energiepfähle dar. Es handelt sich hierbei um Gründungspfähle (Bohr- oder Rammpfähle), die mit innen liegenden Wärmeüberträgern ausgestattet sind. Energiepfähle kommen i.d.R. nur beim Bau von Gebäuden zum Einsatz, die eine Pfahlgründung erfordern (d. h. in erster Linie Großbauwerke). Bei Erdwärmekollektoren werden die Wärmeüberträgerrohre in einer Tiefe von max. 2 m unter Gelände horizontal verlegt. Sie funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Erdwärmesonden, werden jedoch aufgrund ihres großen Flächenbedarfs von bis zur zweifachen Größe der zu beheizenden Fläche seltener eingesetzt. Erdwärmekollektoren gewinnen die von der Sonne eingestrahlte Wärmeenergie. Durch den Jahreszyklus regeneriert sich diese Wärmeenergie immer wieder. Weitere Erdwärmepumpen-Systeme sind die sog. „offenen Systeme“ oder solche mit Direktverdampfung. Diese Systeme bedürfen generell einer wasserrechtlichen Erlaubnis. Grundlage für die wasserrechtliche Erlaubnis ist die hydrogeologische Stellungnahme des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie (HLUG) oder eines geeigneten hydrogeologischen Büros. Für das Erlaubnisverfahren kann der Erlass „Anforderungen des Gewässerschutzes an Erdwärmepumpen“*) sinngemäß herangezogen werden. Bei offenen Systemen wird das Grundwasser selbst der Wärmepumpe zugeführt und die Wärmeenergie des Wassers über einen Wärmetauscher auf den Sekundär -bzw. Arbeitsmittelkreislauf übertragen. Man unterscheidet hierbei Koaxialbrunnen, bei denen ein einziger Brunnen als Entnahme- und Versenkbrunnen genutzt wird, von Brunnen-Dubletten, bei denen Entnahme- und Versenkung an zwei getrennten Brunnen erfolgen. Diese Systeme können bis in sehr große Tiefen reichen (>1000 m). Bei der Direktverdampfung sind Sonden- bzw. Kollektor- und Wärmepumpenkreislauf nicht voneinander getrennt, sondern vereint. 

Funktionsweise der Wärmepumpe

Die Wärmepumpe ermöglicht es, Wärme durch den Einsatz mechanischer oder thermischer Antriebsenergie von einem niedrigen Temperaturniveau (z.B. 0 °C) auf ein zum Heizen und zur Warmwasserbereitung nutzbares Temperaturniveau (z.B. 35 °C) anzuheben. Auch der in jedem Haushalt vorhandene Kühlschrank basiert auf diesem Prinzip: Dem Innenraum des Kühlschranks wird Wärme entzogen, die dann auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und an der Rückseite des Kühlschranks an die Umgebungsluft abgegeben wird. Die Rückseite des Kühlschranks ist daher stets warm. Die Wärmepumpe arbeitet hierbei umso wirtschaftlicher, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle (hier: Erdwärmesonde) und der Wärmenutzungsanlage (hier: Heizung) ist. Die Erdwärme wird daher am wirtschaftlichsten in Verbindung mit einem Niedertemperatur-Heizsystem wie einer Fußbodenheizung genutzt. Die Wirtschaftlichkeit einer Erdwärmesondenanlage wird durch die Jahresarbeitszahl beschrieben. Diese entspricht dem Verhältnis aus Heizwärme und zugeführter Antriebsenergie des Wärmepumpen-Verdichters und anderer Komponenten (z.B. Pumpen). Moderne Erdwärmepumpen erreichen bei korrekter Anlagendimensionierung Arbeitszahlen von bis zu 4. 

Nutzen (Einsparpotenzial):

Ein Niedrigenergiehaus mit einem Heizbedarf von 7 m3 Erdgas bzw. 7 l Heizöl pro Quadratmeter Wohnfläche und Jahr hat bei einer beheizten Fläche von 150 m2 einen Heizenergiebedarf von etwa 10 500 kWh (1 m3 Erdgas bzw. 1 l Heizöl entsprechen ca. 10 kWh Heizenergie). Bei einer modernen Erdwärmesondenheizung mit einer Jahresarbeitszahl von 4 wird lediglich ein Viertel dieses Heizenergiebedarfs als Strom für die Wärmepumpenanlage benötigt. Dies bedeutet: Mit 1 kWh Strom holt die Wärmepumpenanlage 3 kWh quasi kostenfrei aus dem Untergrund ins Haus. Für den Strom gibt es darüber hinaus in der Regel einen vergünstigten Wärmepumpentarif.

Grundlagen des Erlaubnisverfahrens

• Wasserrecht
  Maßnahmen, die geeignet sind, dauernd oder in einem nicht nur unerheblichen Ausmaß schädliche Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Grundwassers herbeizuführen, erfüllen gemäß § 3 Wasserhaushaltsgesetz (WHG) den so genannten „Benutzungstatbestand“. Sie bedürfen einer behördlichen Erlaubnis oder Bewilligung (§ 2 WHG). Im Falle von Erdwärmesonden sind z.B. die Bohrtätigkeit, die Verwendung von Spülzusätzen oder das Verbinden verschiedener Grundwasserstockwerke dazu geeignet, die Beschaffenheit des Grundwassers zu verändern. Beim Betrieb der Erdwärmepumpe kann der Wärmeentzug durch die Sonde bzw. den Kollektor oder das Auslaufen eines wassergefährdenden Wärmeträgermittels zu einer schädlichen Veränderung der Beschaffenheit des Wassers führen
  
  Im Falle von Erdwärmekollektoren, die dem Erdreich Wärme entziehen und bei denen die Kollektoren mindestens 1 m über dem höchsten Grundwasserstand liegen und die somit keine Auswirkungen auf das Grundwasser haben, ist keine wasserrechtliche Beurteilung erforderlich. Auch Energiepfähle können eine schädliche Veränderung der Beschaffenheit des Wassers herbeiführen. Sie sind daher ebenfalls erlaubnispflichtig. Erdwärmepumpen sind daher nach dem Wasserhaushaltsgesetz erlaubnispflichtig.

• Bergrecht
  Erdwärme gilt nach § 3 Abs. 3 Satz 2 Nr. 2b Bundesberggesetz (BBergG) als „bergfreier Bodenschatz“. Dies bedeutet, dass sich das Eigentum an einem Grundstück nicht auf die Erdwärme erstreckt. Für die Aufsuchung der Erdwärme bedarf es daher einer Erlaubnis nach § 7 BBergG und für die Gewinnung einer Bewilligung nach § 8 BBergG. Wenn die Erdwärme „in einem Grundstück aus Anlass oder im Zusammenhang mit dessen baulicher oder sonstiger städtebaulicher Nutzung gelöst oder freigesetzt wird“ (§ 4 Abs. 2 Nr. 1 BBergG), liegt jedoch keine Gewinnung im bergrechtlichen Sinne vor. Dies ist u.a. dann gegeben, wenn die Erdwärmenutzung auf einem Grundstück ohne Beeinflussung eines Nachbargrundstückes erfolgt.
  
  Unabhängig hiervon sind Bohrungen, die mehr als 100 m in den Boden eindringen sollen, nach § 127 BBergG der Bergbehörde vom Auftraggeber der Bohrung oder dem beauftragten Bohrunternehmer anzuzeigen. Aufgrund dieser Bohranzeige entscheidet die Bergbehörde, ob für die Bohrung, aus Rücksicht auf den Schutz Beschäftigter oder Dritter oder wegen der Bedeutung der Bohrung, ein Betriebsplan nach § 51 ff. BBergG erforderlich ist. Hält die Bergbehörde einen solchen Betriebsplan für nicht erforderlich, bestätigt sie lediglich die Bohranzeige. Ist im Einzelfall ein Betriebsplan erforderlich, werden im Zulassungsverfahren nach § 55 ff. BBergG auch andere betroffene Behörden von der Bergbehörde beteiligt. Stellt eine der im Betriebsplan beschriebenen Tätigkeiten (z.B. Bohrungen im Grundwasser, vorübergehende Grundwasserentnahme, Pumpversuche) einen Benutzungstatbestand im Sinne des WHG dar, entscheidet die Bergbehörde auch über die dafür erforderliche wasserrechtliche Erlaubnis

• Lagerstättengesetz
  
  Darüber hinaus sind nach § 4 des Gesetzes über die Durchforschung des Reichsgebietes nach nutzbaren Lagerstätten (Lagerstättengesetz) Bohrungen vom Bohrunternehmen zwei Wochen vor Beginn der Arbeiten dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie anzuzeigen (Vordruck siehe Anlage 2). Nach Abschluss der Bohrung ist das Bohrergebnis mitzuteilen.