Geothermie / Erdwärme

Der Geologe als Anlagenplaner bei der Gewinnung von Erdwärme

Die Nutzung von Erdwärme zum Heizen von Gebäuden gewinnt mit zunehmenden Kosten für fossile Brennstoffe und elektrischer Energie sowie den gestiegenen ökologischen Ansprüchen an Bedeutung.

Anders als bei herkömmlichen Heizungsanlagen, wie z.B. ölbrennern, sind bei der Planung von Erdwärmeanlagen zusätzlich zur so genannten Haustechnik - z.B. Wärmepumpe, Rohrleitungssystemen, Pufferspeichern und Heizkörpern oder Fußbodenheizungen, usw., die Außenanlagen wie Erdwärmesonden, Bodenkollektoren, Zuleitungen und Hausverteiler zu berücksichtigen.

Viele – besonders auch private Nutzer – überlassen die Planung Ihrer Erdwärmeanlage vollständig Ihrem Lieferanten, der in der Regel nicht über geowissenschaftliches Fachwissen verfügt. Die Anlagendimensionierung wird entsprechend allgemeiner Empfehlungen grob abgeschätzt und mit einem scheinbar großzügigen Sicherheitsbonus beaufschlagt, um eventuell auftretende Inhomogenitäten des Untergrundes und Fehler bei der praktischen Ausführung zu kompensieren.

Häufig wird dann die mangelhafte Funktion – z.B. ein erhöhter Stromverbrauch oder häufige Ein- und Ausschaltvorgänge der Wärmepumpe – dem Prinzip der Erdwärmegewinnung angelastet. Eine genaue und gewissenhafte Planung von unabhängiger Seite – frei von den jeweiligen Lieferinteressen (siehe hierzu auch Titel “Beratender Geowissenschaftler”) würde jedoch in vielen Fällen helfen, technische Probleme zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.

Unsere langjährige Erfahrung in der Planung der Erstellung von Erdwärmeanlagen und der Durchführung von Bohrkampagnen hat uns und unseren Kunden demonstriert, dass das Hinzuziehen eines Geologen für die Planung von geothermischen Anlagen zu empfehlen ist.



Die TERRASYSTEM GmbH bietet für den Fachbereich der Geothermie folgende Leistungen an:

  • Durchführung von Machbarkeitsstudien unter Berücksichtigung geologischer und wasserrechtlicher Aspekte


  • Ausschreibung der Bohr- und Installationsarbeiten


  • Prüfung von Angeboten und Ausschreibungen


  • Stellung und Bearbeitung wasserrechtlicher Anträge


  • Planung und Dimensionierung von Erdwärmeanlagen mit Erdwärmesonden (Sondenfelder) unter Verwendung spezieller EDV – Programme und Planung von Graben- und Flächenkollektoren


  • Auslegung der Erdwärmesondenanlage; Ermittlung der thermischen Untergrundparameter, gem. VDI-Richtlinie 4640


  • Planung der Bauausführung (z.B. Bohrtechnik, Verdämmung, Sohlefüllung, Leitungsführung, Auslegung der Verteileranlage)


  • Fachbauleitung, Koordinierung der Bauabläufe


  • Planung, überwachung und Auswertung von Geothermal Response Tests


  • überprüfung von vorhandenen Erdwärmegewinnungsanlagen; Erstellung von Schadensgutachten und Sanierungskonzepten


  • Betreuung und Beratung von Bohrunternehmen


Die Erstellung einer Erdwärmesondenanlage – ein beispielhafter Bauablauf:

Zuerst erfolgt die Ermittlung des Wärme- und Kühlbedarfs des Gebäudes und die Auswahl der Wärmepumpe durch den Planungsingenieur oder den Wärmepumpen-Fachbetrieb. Anschließend wird die Machbarkeitsstudie und Anlagendimensionierung durch den “Beratenden Geowissenschaftler” durchgeführt. Nach Erteilung der wasserrechtlichen Genehmigung durch die zuständige Behörde und der Ausschreibung der Bohr- und Installationsleistungen erfolgen diese Arbeitsschritte:

Erstellung der Erdwärmesonden durch ein zertifiziertes Bohrunternehmen (W 120):
  • Bohrarbeiten mit einem Bohrdurchmesser von 120 – 150 mm


  • Einbau der HDPE - Sonden in das vorhandene Bohrloch – Anschließend Dichtigkeitskontrolle mit Dokumentation


  • Verpressen des Bohrlochs mit geeignetem Dämmermaterial
Nebenarbeiten, (meist) ausgeführt durch den Bohrunternehmer:
  • Erstellung von Gräben für die Zuführung der Sondenverlängerungen zum Haus


  • Verlängern der Sonden bis zur Verteileranlage (Schweissmuffen)


  • Anbringen der Verteileranlage


  • Sohlefüllung der Sondenanlage


  • Hausdurchführung mit zugelassener Manschette zur Abdichtung
Anschlussarbeiten ausgeführt durch den Installateur:
  • Anschluss der Vor- und Rücklaufleitung an die Wärmepumpe


  • Installation der Haustechnik


Häufig gestellte Fragen

Was ist oberflächennahe Geothermie ?

Für die Klimatisierung von Gebäuden werden meist oberflächennahe Potentiale des Untergrundes genutzt. Unter oberflächennah versteht man einen Tiefenbereich von bis zu 400 m. Für die praktische Anwendung in Wohnungsbau und Einfamilienhausbereich wird meist in Tiefen von bis zu 100 m gearbeitet. Sollen tiefere Horizonte, von über 100 m, durch Bohrungen erschlossen werden, reicht eine einfache wasserrechtliche Genehmigung nicht mehr aus; sie muss durch ein bergrechtliches Verfahren ergänzt werden.

Oberflächennahe Geothermie besteht im Wesentlichen aus im Untergrund und im Grundwasser gespeicherter Sonnenenergie. Ab einer Tiefe von ca. 8 – 10 m steht diese, mit 7 – 13°C, unabhängig von den Witterungsverhältnissen ganzjährig und konstant zur Verfügung. Die verfügbare Quantität ist nahezu unbegrenzt. Als begrenzender Faktor für den Anlagenbetrieb kommt vielmehr die Möglichkeit des Energienachflusses zum Tragen. Dieser ergibt sich im Wesentlichen aus der Wärmeleitfähigkeit der Gesteine.

Wie funktioniert die Wärmepumpe ?

Das wesentliche Funktionsprinzip der Wärmepumpe besteht darin, dass die auf einem niedrigem Temperaturniveau gewonnene Energie (Erdwärme) auf ein höheres Potential gehoben wird, um die notwendige Heiztemperatur zu erreichen.

Dies geschieht in einem geschlossenen Kreislauf durch ständiges ändern des Aggregatzustandes des sogenannten Arbeitsmittels.

Am Verdampfer – einem Bauteil der Wärmepumpe - wird das Arbeitsmittel mit Hilfe der gewonnenen Erdwärme (Energie) verdampft.

Ein Verdichtersystem komprimiert nun das gasförmige Arbeitsmittel; die Temperaturniveau des Arbeitsmittel wird durch diesen Prozess angehoben.

über einen Wärmetauscher wird die gewonnene Energie auf das Heizungssystem übertragen. Das Wasser der Heizung wird erwärmt, das Arbeitsmittel kühlt ab und verflüssigt sich wieder.

Das nun wieder flüssige Arbeitsmittel wird über eine Düse in den Verdichter entspannt. Der Kreislauf ist geschlossen.

Je geringer die Differenz zwischen der vorhandenen Untergrundtemperatur und der notwendigen Heiztemperatur (Vorlauftemperatur der Heizungsanlage) desto günstiger fällt der Wirkungsgrad der Anlage aus. Arbeitet man mit niedrigen Vorlauftemperaturen, muss die Wärme über verhältnismäßig große Heizflächen an die Räume abgegeben werden. Aus diesem Grund haben sich im Neubaubereich Fußbodenheizungen etabliert. Aber auch mit Flächenstrahlern oder modernen Heizkörpern kann die gewünschte Raumtemperatur erreicht werden. Vorlauftemperaturen um ca. 40°C haben sich als günstig erwiesen.

Was verbirgt sich hinter dem Begriff Arbeitszahl ?

Die Arbeitszahl gibt das Verhältnis zwischen eingesetzter Primärenergie (Strom) und gewonnener Energie durch die Erdwärme in kWh an. Auf diese Weise gewinnen z.B. Luft-Wärmepumpen 3 bis 3,5mal mehr Wärme, als sie an elektrischer Energie verbrauchen. Bei rund 4,5 liegt dieses Verhältnis – die “Arbeitszahl” – bei Erdreich-Wärmepumpen; Grundwasser-Wärmepumpen erreichen einen Faktor von bis zu 5,5.

Die Hauptursache für diese unterschiedlichen Arbeitszahlen liegt im zu bewältigenden Temperaturhub, um die Heiztemperatur des Wassers im häuslichen Heizkreislauf von rund 40 - 50°C zu erreichen. Bei Grundwasser mit einer jahreszeitlich nahezu konstanten Temperatur von etwa 12°C ist dieser Temperaturhub mit ca. 35°C am geringsten, die Wärmepumpe arbeitet deshalb hier am effektivsten. Bei Nutzung der gelegentlich auch einige Minusgrade kalten Außenluft ist die Temperaturdifferenz am größten und somit die Arbeitszahl am geringsten.

Was ist der Geothermal Response Test ?

Der Geothermal Response Test ist eine technische Versuchsanordnung zur Ermittlung der thermischen Eigenschaften des Untergrundes durch Messung der Wärmeleitfähigkeit und des Bohrlochwiderstandes in einer Erdwärmesonde.

Zu diesem Zweck wird an eine bereits erstellte Sonde die Testanlage angeschlossen. Durch Erwärmen bzw. Abkühlen der Sohleflüssigkeit (Füllung der Sonde mit Wasser / Frostschutzmittel – Gemisch) wird die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes ermittelt.

Die ermittelten Daten dienen dann der entgültigen Anlagenkonzeptionierung. Da dieser Test mit zusätzlichen Kosten verbunden ist, wird dieser in der Regel nur für größere Anlagen, mit einer Leistung von über 30 KW durchgeführt. Ein weiterer Einsatzzweck ist die überprüfung der Funktionsfähigkeit bestehender Anlagen.

Kann eine Erdwärmesondenanlage auch zum Kühlen des Gebäudes eingesetzt werden ?

Ja, durch Umkehr des Kreisprozesses der Wärmepumpe können Bauwerke im Sommer ohne wesentlichen Mehraufwand an Investitions- oder Betriebskosten gekühlt werden. Da für diese Nutzung eine passende Auslegung der Anlage besonders wichtig ist, sollte der Rat eines erfahrenen Kälte- und Klimatechnikers eingeholt werden.

Welche weiteren bekannten Verfahren der Erdwärmenutzung gibt es ?

  • Bei Pfahlgründung von Gebäuden können die Pfähle als Wärmetauscher genutzt werden; sogenannte Energiepfähle


  • Erdberührte Betonbauteile wie Fundamentplatten, Pfähle oder Schlitzwände zum Heizen und Kühlen


  • Graben- oder Flächenkollektoren; diese Anlagen werden oberflächennah in 1 – 3 m Tiefe installiert.


  • Sogenannte Wasser – Wasser – Anlagen, hier wird aus einem Förderbrunnen Wasser gepumpt und der Wärmepumpe zugeführt, die Wärme entzogen, und anschließend über einen Schluckbrunnen wieder dem Erdreich zugeführt.








Lesenswertes:

Wärme aus erneuerbaren Energien wird ab dem Jahresanfang von 2009 Pflicht. Hausbesitzer und Bauherren müssen bei Neubauten einen Teil ihres Wärmebedarfs zum Heizen oder der Warmwasseraufbereitung aus erneuerbaren Energien abdecken. Das bereits verabschiedete Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) schreibt den Einsatz von Soloranlagen, Biomasseheizungen oder von Wärmepumpen vor.



Der Bund fördert ab dem Jahr 2008 die Wärmepumpe. In den aktuellen Förderrichtlinien ist es vorgesehen den effizienten Energieeinsatz von Wärmepumpen durch finanzielle Zuschüsse zu fördern.

Gefördert werden Wärmepumpen für die Warmwasserversorgung und die Heizung eines Gebäudes. Bedingung für die Förderwürdigkeit für Erdwärmeanlagen ist im Neubaubereich der Nachweis einer Jahresarbeitszahl von mindestens 4,0; im Gebäudebestand wird noch eine Jahresarbeitszahl von mindestens 3,7 verlangt.

Die Förderhöhe beträgt für Neubauten 10 Euro / m² beheizter Wohn- oder Nutzfläche. Die maximale Förderhöhe beträgt je Wohneinheit 2.000 Euro. Für die Sanierung im Gebäudebestand sieht der Gesetzgeber eine Förderhöhe von 20 Euro / m² vor; die maximale Förderung je Wohneinheit beträgt 300 Euro. Weitere Beschränkungen ergeben sich für Gebäude mit mehr als zwei Wohneinheiten.



Die Städte und Gemeinden Lindlar, Marienheide, Morsbach, Nümbrecht, Reichshof, Waldbröl und Wipperfürth informierten in einer Broschüre (Postwurfsendung im Juni 2008) über die Einführung einer getrennten Abwassergebühr für Schmutz- und Regenwasser.

Ein wesentlicher Aspekt hinsichtlich der entstehenden Kosten wird in Zukunft, neben den unvermeidlichen Schmutzwassergebühren, die Menge des von einem Grundstück in die Kanalisation eingeleiteten Niederschlagswassers sein. Diese hängt von der Art und Größe der versiegelten Flächen wie z.B. Dachflächen oder Zufahrten ab.

Wir meinen: In diesem Zusammenhang erscheint auch für den Gebäudebestand eine Prüfung, ob das Wasser einer Versickerungsanlage zugeführt werden kann, gekoppelt an eine entsprechende Abgabenbefreiung, sehr sinnvoll.


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