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Arbeitszahl

Zur Beurteilung der energetischen Effizienz des Wärmepumpen (Kälte)- Prozesses wird das Verhältnis der vom System abgegebenen Nutzwärme zu der dem System zugeführten Energie ermittelt. Dazu werden die zwei Kennzahlen Arbeitszahl und Leistungszahl unterschieden.

Sie bezeichnet das Verhältnis zwischen erzeugter Energie in Form von Heizarbeit (kWh) und der eingesetzten elektrischen Arbeit (kWh) inklusive aller Komponenten in einem festgelegten Zeitraum (i. d. R. ein Jahr: Jahresarbeitszahl). Sie ist der sinnvollste Maßstab, die energetische Qualität einer Anlage zu bewerten.

Arbeitszahl und Leistungszahl sind im Wesentlichen von der zu überwindenden Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem abhängig. Sie steigen unter anderem mit einer hohen Wärmequellentemperatur und niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizsystem. Die Jahresarbeitszahl wird zusätzlich durch systemtechnische Abstimmung der Komponenten, den Anteil der Warmwasserbereitung am Gesamtwärmebedarf und durch das Nutzerverhalten beeinflußt.

Moderne Wärmepumpen weisen inzwischen beim Betrieb mit einer Erdwärmesondenanlage und einer Niedertemperaturheizung Jahresarbeitszahlen von 4 auf, das heißt sie stellen viermal soviel Heizwärme bereit, wie sie elektrische Arbeit zu deren Gewinnung benötigen.

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 (Abb. 7) erfolgt.

Eine Bewilligung nach § 8 BBergG ist deshalb regelmäßig nicht erforderlich, wenn die Erdwärme bis zu einer Heizleistung von 30 kW für Ein- oder Zweifamilienhäuser auf einem Grundstück gewon­nen und genutzt wird und bei den dazu erforder­lichen Bohrungen ein Mindestabstand von 5 m zur Grundstücksgrenze eingehalten wird.

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.

Bohrlochabdichtung

Beim Bau von Erdwärmeanlagen kommt der sachgerechten Abdichtung des Bohrloches eine hohe Bedeutung zu. In der Regel wird die Bohrung beim Einbau von Erdwärmesonden durch eine Zement-Bentonit-Suspension mittels eines Injektionsrohres im sog. Kontraktorverfahren (d. h. von unten nach oben) verfüllt und abgedichtet. Die Suspension gewährleistet gleichzeitig den notwendigen Wärmetransport zwischen dem Rohrsystem und dem umgebenden Gestein.

Bohrtechnik

Die verwendete Bohrtechnik hängt in erster Linie vom Gesteinsuntergrund und der zu erreichenden Bohrtiefe ab. Hierfür stehen eine Vielzahl von Geräten zur Verfügung. Grundsätzlich ist zwischen den beiden folgenden Verfahren zu unterscheiden:

• Rammverfahren: schlagendes Bohren, das Gesteinsmaterial wird durch Keilwirkung zertrümmert
• Rotary-Verfahren: drehendes Bohren, das Gestein wird durch sich drehende Bohrmeißel zerspant

Beim Schlagbohren wird das Schlagwerkzeug auf dem Bohrgerät montiert, die Schläge werden durch das Bohrgestänge übertragen. Vorteilhaftes schnelles Verfahren in sehr hartem Material bei Tiefen bis etwa 70 m und Durchmesser 76 - 115 mm.

Beim Rotary-Verfahren ist zwischen Trocken- und Spülbohrungen zu differenzieren. Zur Errichtung von Erdwärmeanlagen wird insbesondere bei weichen Böden häufig das Tockenbohrverfahren mit Verrohrungen eingesetzt, wobei Schnecken als Bohrwerkzeuge dienen. Das Bohrgut wird durch die sich drehende Schnecke zutage gefördert.

In mittleren bis harten Gesteinen findet häufig das Spülbohrverfahren Anwendung. Das Bohrgut wird durch eine im Gestänge in die Tiefe gepumpte Flüssigkeit (->Bohrspülung) aufgenommen und zur Oberfläche gefördert, wo es sich in Spülgruben/Mulden absetzt. Für die Zerkleinerung des Bohrgutes kommen verschiedene Meißeltypen zum Einsatz. Rotarybohren ist relativ langsam, andererseits aber die einzige Methode zum Bohren bis in große Tiefen.

Eine Sonderbohrform ist der Imlochhammer (drehschlagend). In mittelhartem bis sehr hartem Gestein ist mit dem Imlochhammer eine hohe Bohrgeschwindigkeit zu erreichen; Voraussetzung ist ein leistungsfähiger Kompressor, da Druckluft als Antriebsmittel des Hammers und zum Transport des Bohrgutes dient.

Bei geologischen Bohrungen verwendete Werkzeuge sind z. B.

• Rollenmeißel
• Bohrkronen, zur Härtung teils mit Industriediamanten besetzt

Um zu raschen Verschleiß und Überhitzung der Bohrkrone zu vermeiden, wird im Bohrloch während des Bohrvorgangs meist eine Spülflüssigkeit umgepumpt, deren Druck auch der Stabilisierung des Bohrloches dient.

Das durch die Bohrungen aufgeschlossene Gestein wird in Schichtenverzeichnissen dokumentiert und in Bohrprofilen dargestellt. Diese geben die geologischen Verhältnisse des Untergrundes wieder. Auch das in der Spülung herausgeförderte Bohrklein dient dem Bohrmeister/Geologen als Hilfsmittel, erlaubt jedoch nur die grobe Abschätzung ihrer Herkunftstiefe (berechnet aus Aufstiegsgeschwindigkeit und der dazu benötigten Zeit).

Bohr- und Brunnenbauunternehmen zur Errich­tung der Erdwärmesonden müssen die Qualifi­kationskriterien des DVGW-Regelwerkes W 120 erfüllen. An jedem Bohrgerät muss während der Bohrarbeiten ein qualifizierter Bohrgeräteführer gemäß DIN 4021 ständig anwesend sein.

Bohrungen sind dem Geologischen Dienst der einzelnen Bundesländer anzuzeigen.

Durchlässigkeit, hydraulische

Permeabilität (Durchlässigkeit) ist die Fähigkeit eines porösen Materials, Flüssigkeiten hindurch zu lassen. In der Bodenkunde ist speziell die Durchlässigkeit von Wasser im Boden von Bedeutung, die auch als Transmissivität beschrieben wird.

Die Durchlässigkeit ermöglicht eine Sickerströmung durch den Boden oder ein klüftiges Felsgestein. Das Wasser wird durch einen hydrostatischen Druck veranlasst, sich von der Stelle des höheren Drucks zu der Stelle des niedrigeren Drucks durch die Zwischenräume zu bewegen. Das Maß für die hindurchgehende Flüssigkeit pro Zeiteinheit (bei einer bestimmten Druckhöhendifferenz und gleich bleibendem Querschnitt) ist der Durchlässigkeitskoeffizient. Die Durchlässigkeit wird durch das Darcy-Gesetz quantifiziert.

Bei Lockergesteinen (Böden) bewegt sich das Wasser durch den Porenraum zwischen den Bodenkörnern; bei klüftigem Felsgestein bewegt es sich als Spaltströmung durch die Kluftspalten, sofern diese miteinander verbunden sind. Die Strömungsgeschwindigkeit oder Filtergeschwindigkeit nach dem Darcy-Gesetz ist die durchschnittliche Geschwindigkeit von einer Seite des Materials zur anderen. Die tatsächliche Geschwindigkeit einzelner Wassertropfen durch den Porenraum bzw. durch die Spalten ist jedoch höher. Bei geringer Geschwindigkeit gegenüber der Spaltbreite fließt das Wasser in den Spalten laminar, bei höheren Geschwindigkeiten turbulent.

Das hydrostatische Potenzial baut sich beim Durchgang durch das Material ab. Die Standrohrspiegelhöhe reduziert sich, woraus man das hydraulische Gefälle berechnet als Druckhöhendifferenz pro Streckenlänge.

Die Durchlässigkeit verschiedener Materialien unterscheidet sich erheblich. Ton hat zum Beispiel eine sehr geringe Durchlässigkeit, Kies eine sehr große. Der Durchlässigkeitskoeffizient von Ton liegt demzufolge bei etwa 10-9 m/s, der von Kies etwa bei 10-3 m/s, was einen Faktor von 1 Million ausmacht. Durch Ton sickert also 1 Million mal weniger Wasser als durch Kies, weshalb man Ton als Dichtungsmaterial verwendet und Kies als Drainagematerial. Die Durchlässigkeit ist auch von der Temperatur abhängig.

Energieeinsparungsverordnung (EnEV)

Mit der Energieeinsparverordnung soll der Energieverbrauch bei Gebäuden wesentlich reduziert werden. Weniger Energieverbrauch bedeutet in nahezu allen Fällen auch eine Emissionsreduzierung der klimarelevanten Gase (vor allem CO2) so dass damit auch ein wichtiger und langfristig wirksamer Beitrag zum Klimaschutz geleistet wird.

Um insbesondere bei bestehenden Gebäuden Härtefälle zu vermeiden, sieht der Gesetzgeber Übergangsfristen und die Möglichkeit, Ausnahmen und Befreiungen zu erteilen vor. So sind im Zusammenhang von Sanierungs- und Erweiterungsmaßnahmen die Vorgaben der EnEV unter bestimmten Voraussetzungen einzuhalten. Daneben gibt es auch ohne geplante Umbaumaßnahmen Anpassungspflichten.

Energiepfähle

Betonbauteile lassen sich nicht nur als tragendes oder architektonisches Element einsetzen. Beton kann als Wärmespeicher und Wärmeleiter benutzt werden. Der Einbau der Wärmetauscher kann nur im Rahmen der Errichtung des Bauwerks selbst erfolgen. Eine Nachrüstung bereits vorhandener Betonflächen ist nicht möglich.

Der Mehraufwand, die in Frage kommenden Bauteile als Wärmequelle zu nutzen, ist relativ gering. Der wirtschaftliche Vorteil ergibt sich vor allem daraus, dass nur solche Bauteile herangezogen werden, die aus statischen Gründen sowieso errichtet werden müssen. Zusätzliche Bohr- oder Verlegebarbeiten, wie etwa bei Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden fallen daher weg.

Erdwärme: siehe Geothermie

Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren sind meist aus Kunststoffrohren bestehende Wärmeüberträger, die horizontal in Tiefen von 80 – 160 cm im Erdreich liegen. Sie werden mindestens 20 cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze, also in 1 bis 1,5 m Tiefe mäanderförmig - ähnlich einer Fußbodenheizung - mit einem Rohrabstand von 0,5 bis 0,8 m verlegt. In einem geschlossenen System zirkuliert ein Wasser-Glykol- oder Wasser-Alkohol-Gemisch als Wärmeträger. Die aus dem Erdreich entnommene, von der Sonne eingestrahlte Wärme wird über das Trägermedium der Wärmepumpe zugeführt.

Die erzielbare Wärmeleistung ist abhängig von der Beschaffenheit des Bodens. Trockene, grobkörnige Böden sind für den Wärmetransport schlechter geeignet als feuchte Grundwasserböden. Deshalb variiert die Leistung dieser Kollektoren von 10 W/m2 bis zu 35 W/m² bei Grundwasserböden. Bei 20 W/m² Wärmeeintragsleistung bedeutet dies, dass man für eine Wärmepumpenheizung mit 6 kW Leistung etwa 300 m² Bodenfläche benötigt. Das entspricht überschlägig etwa einer Fläche, die doppelt so groß ist wie die zu beheizende Wohnfläche.

Das Betriebsregime eines Erdwäremkollektors unterliegt den an der Oberfläche herrschenden Witterungseinflüssen. Eine Wärmepumpe ist bei Koppelung an einen Erdwärmekollektor daher gezwungen, in Zeiten größten Wärmebedarfs mit etwas ungünstigen Wärmequellentemperaturen im Vergleich zu einer Erdwärmesondenanlage auszukommen.

Vorteile von Erdwärmekollektoren sind ihre ganzjährige Verfügbarkeit, das geschlossene System mit unbedenklichem Solemedium und die einfache Erschließung der Wärmequelle. Nachteilig ist der relativ große Flächenbedarf im Vergleich zu Erdwärmesonden, welche aufwendige Tiefbohrungen erfordern. Durch die geringere Temperatur des Erdreichs kann sich der Beginn der Wachstumsperiode von Pflanzen, die oberhalb des Kollektors wachsen, um bis zu zwei Wochen verzögern.

Erdwärmesonden

Erdwärmesonden sind in Bohrungen eingebrachte Rohrbündel. Es handelt sich um vertikale Bohrungen, in die U-Rohre aus HDPE-Kunststoff eingebracht werden. Anschließend wird die Bohrung mit einer speziellen quellfähigen, dauerhaften und abdichtenden Suspension verfüllt. Erst dadurch ist die Funktionsfähigkeit einer Erdwärmesondenanlage gewährleistet und ein guter Wärmeübergang sichergestellt. Die HDPE-Kunststoffrohre dienen nun als Wärmetauscher, über die Wärme dem Untergrund entnommen wird.

Die Tiefe einer Bohrung variiert nach dem geologischen Aufbau des Untergrundes und wird für den normalen Wohnungsbau durchgeführt (bis zu 400 m, je nach lokalen Gegebenheiten und Leistungsanforderung). Ab einer Tiefe von ungefähr 10 Metern bleibt die Temperatur über das Jahr praktisch unverändert. Durch eine spezielle Trägerflüssigkeit (sog. Sole: Wasser-Glykol oder Wasser-Alkohol-Gemisch) wird die Erdwärme zur Wärmepumpe transportiert und dann auf das entsprechend erforderliche Temperaturniveau gehoben. Diese Variante der Nutzung von Erdwärme hat einen hohen Wirkungsgrad.

Auch die Variante zur Kühlung kann über Erdsonden erfolgreich umgesetzt werden. Hierbei wird Wärme aus Gebäuden über die Wärmepumpe in das Erdreich übertragen, die die Regeneration unterstützt und sozusagen im Winter wieder zur Verfügung steht. Planungen für Erdwärmesonden erfordern eine umfangreiche Berechnung.

Im privaten Wohnungsbau (Einfamilienhaus) in Deutschland sind Erdwärmesonden selten tiefer als 100 m. Neben den hohen Kosten für das Bohrgerät (Bohrkosten) muss bei größeren Tiefen auch das Bergrecht beachtet und eine entsprechende Genehmigung (u.a. wasserschutzrechtliche Bestimmungen) eingeholt werden. Wenn größere Wärmeübergangsflächen notwendig sind, werden mehrere Bohrungen meist im Abstand von einigen Metern nebeneinander eingebracht. Da in die Tiefe gebohrt wird, ist der Platzbedarf gering verglichen mit einer Lösung mittels Erdwärmekollektor.

In anderen Ländern sind auch tiefere Erdwärmesonden gängig. So wird in der Schweiz regelmäßig bis ca. 300 Meter Tiefe gebohrt. Tiefe Erdwärmesonden werden ausschließlich zum Heizen eingesetzt. Soll auch der Kühlfall abgedeckt werden, wird nicht so tief gebohrt.

Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG)

Das deutsche Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien, in der geläufigen Kurzfassung Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) genannt, soll den Ausbau von Energieversorgungsanlagen vorantreiben, die aus erneuernden (regenerativen) Quellen gespeist werden. Es dient vorrangig dem Klimaschutz und gehört zu einer ganzen Reihe gesetzlicher Maßnahmen, mit denen die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern wie beispielsweise Erdöl, Erdgas oder Kohle und auch von Energieimporten aus dem Raum außerhalb der EU verringert werden soll.

Grundgedanke ist, dass den Betreibern der zu fördernden Anlagen über einen bestimmten Zeitraum ein fester Vergütungssatz für den erzeugten Strom gewährt wird, der sich an den Erzeugungskosten der jeweiligen Erzeugungsart orientiert, um so einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen zu ermöglichen. Der für neu installierte Anlagen festgelegte Satz sinkt jährlich um einen bestimmten Prozentsatz (Degression), um einen Anreiz für Kostensenkungen zu schaffen.

Gefördert wird die Erzeugung von Strom aus:

• Wasserkraft
• Deponiegas, Klärgas und Grubengas
• Biomasse
• Geothermie
• Windenergie
• solarer Strahlungsenergie (z.B. Photovoltaik)

Der zuständige Netzbetreiber ist aufgrund eines gesetzlichen Schuldenverhältnisses zum Anschluss der Anlage und zur Zahlung der festgelegten Vergütung verpflichtet. Eines Vertrages mit dem Anlagenbetreiber bedarf es nicht.

Die entstandenen Mehrkosten, d. h. die Differenz zwischen Vergütungssatz und Marktpreis des Stroms, werden unter den Energieversorgungsunternehmen (EVU) gleichmäßig aufgeteilt (Bundesweite Ausgleichsregelung) und fließen somit als zusätzlicher Kostenfaktor in die Kalkulation der Endverbraucherpreise ein.

Genehmigungsverfahren

In der Regel ist das Wasserrecht, in vielen Fällen auch das Bergrecht betroffen. Bei Vorhaben mit Bohrtiefen von über 100 m sind die Belange des Bergrechts zu beachten.

Zur Erschließung und Nutzung von oberflächennaher Erdwärme ist die Kreisver­waltungsbehörde der Ansprechpartner. Je nach örtlichen Umständen des Einzelfalls und je nach Art des Vorhabens ist eine Anzeige oder eine Genehmigung erforderlich. Informationen über das maßgebliche Verfahren und die notwendigen Unterlagen sollten vorab bei der unteren Wasserrechtbehörde der Kreisverwaltung angefragt werden.

Im Vorfeld der Installation von Erdwärmeanlagen ist es wichtig abzuklären, ob in dem entsprechenden Gebiet Kontaminationen des Untergrundes – insbesondere des Grundwassers – vorliegen. Bei dem Vorliegen von Schadstoffbelastungen kann die Umsetzung eines Erdwärmeprojektes von vonreherein nicht ausführbar sein, bei der späteren Feststellung von Kontaminationen kann das Projekt durch Entzug der Genehmigung ein Misserfolg werden. Es ist empfehlenswert im Vorfeld der Projektausführung in Erfahrung zu bringen, ob durch die Standortsituation mit Kontaminationen unter Berücksichtigung der Grundwasserfleißverhältnisse und auch unter Berücksichtigung prognostischer Betrachtungen zu rechnen ist. Mit derartigen Risiken beschäftigen wir uns seit über 20 Jahren, überzeugen Sie sich selbst:

Detaillierte Informationen zu Schadstoffen finden Sie im Schadstofflexikon

Geothermal – Response – Test

Der Thermal Response Test ist eine Untersuchungsmethode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds und des thermischen Bohrlochwiderstands (bzw. der Wärmeleitfähigkeit der Bohrlochverfüllung). Sie liefert somit fundierter Daten für die Detailplanung von Projekten.

Für die sachgerechte Auslegung von Erdwärmesonden ist die Kenntnis der thermischen Eigenschaften des Untergrunds eine wichtige Voraussetzung. Während bei kleinen Anlagen die Werte mit Hilfe von Richtlinien (z. B. VDI 4640) meist geschätzt werden, sind für größere Anlagen Untergrunduntersuchungen bis hin zu Probebohrung(en) notwendig. Über eine solche Probebohrung lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds anhand unterschiedlicher Verfahren bestimmen:

• Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit an möglichst ungestörten Proben (z.B. Bohrkerne); dabei sind alle wesentliche gesteinsspezifische Einheiten des Bohrprofils zu beproben und vor allem auch der natürliche Wassergehalt der Proben zu erhalten. (erheblicher Aufwand)
• Bestimmung durch einen thermischen Response-Test (an einer fertig eingebauten Erdwärmesonde); Vorteile sind hier die Messung über die gesamte Bohrlochlänge, die Einbeziehung der Bohrlochverfüllung und damit eine Aussage über die Qualität der Erdwärmesonde, und die ungestörten Untergrundverhältnisse einschließlich eines evtl. vorhandenen Grundwasserflusses.

Geothermische Tiefenstufe (geothermischer Gradient)

Die geothermische Tiefenstufe ist die Tiefe, in der sich die Erdkruste um ein Grad Celsius erwärmt, und steht damit für den Temperaturgradienten derselben. Eine solche Erwärmung erfolgt durchschnittlich alle 33 Meter, wobei man aufgrund dessen auch oft einen Gradienten von 3 °C pro 100 Meter angibt.

Es treten jedoch erhebliche Abweichungen von diesem Mittelwert auf, so zum Beispiel auf der Schwäbischen Alb mit 11 Metern oder in Südafrika mit 125 Metern. Diese Abweichungen sind unter anderem durch die örtlich variierende Mineralogie, Geologie, Morphologie und besonders vulkanische Aktivität bedingt. Hervorgerufen werden die höheren Temperaturen durch höheren Oberflächenwärmefluss. Die Wärme im Erdinnern stammt zu 70 Prozent aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdmantel und Erdkern und zu 30 Prozent aus der aufsteigenden Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung.

Geothermie

siehe auch oberflächennahe Geothermie

siehe auch Tiefengeothermie

Geothermische Feldtests in Tibet (Quelle: Wikipedia)

Die Geothermie, oder Erdwärme, ist die im oberen (zugänglichen) Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geothermie bezeichnet sowohl die ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung, als auch die wissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation des Erdkörpers.

Der terrestrische Wärmestrom, die von der Erde pro Quadratmeter an den Weltraum abgegebene Leistung, beträgt etwa 0,063 Watt/m² (63 mW/m²) (Wärmestromdichte). Dies ist ein relativ kleiner Wert und weist schon darauf hin, dass sich Geothermie vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet. In anomalen Gebieten, wie etwa vulkanischen, kann der Wärmefluss um ein Vielfaches größer sein.

Wegen der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung vorwiegend nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste gespeicherte Energie genutzt. Eine Geothermienutzung muss dabei so dimensioniert werden, dass die Auskühlung des betreffenden Erdkörpers so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet.

Grundlast

Grundlast bezeichnet die Netzbelastung, die während eines Tages in einem Stromnetz nicht unterschritten wird.

Da der niedrigste Stromverbrauch meist nachts auftritt, wird die Höhe der Grundlast bestimmt von Industrieanlagen, die nachts produzieren, Straßenbeleuchtung, und Dauerverbrauchern in Haushalt und Gewerbe. Darüber hinaus kann die Grundlast von den Energieversorgungsunternehmen noch erhöht werden, indem zu Schwachlastzeiten Pumpspeicherkraftwerke gefüllt werden oder Nachtspeicherheizungen eingeschaltet werden.

Zur Deckung der Grundlast werden Grundlastkraftwerke eingesetzt, die den Strom sehr kostengünstig produzieren können, aber z.T. nur sehr schwer zu regeln sind. Aus diesem Grund wird von den Energieversorgungsunternehmen versucht, den Grundlastbedarf möglichst langfristig im Voraus abzuschätzen. Bei Unterschreitung des abgeschätzten Werts muss entsprechend reagiert werden, entweder durch Einschalten zusätzlicher Verbraucher (Pumpspeicherkraftwerke, Nachtspeicherheizungen) oder durch Abgabe von Strom in andere Stromnetze.

Wird der Grundverbrauch überschritten, so setzt man zur Deckung des zusätzlichen elektrischen Verbrauchs Mittel- und Spitzenlastkraftwerke ein.

Grundwasser

Grundwasser wird nach DIN 4049 definiert als "unterirdisches Wasser, das die Hohlräume der Erdrinde zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich von der Schwerkraft und den durch die Bewegung selbst ausgelösten Reibungskräften bestimmt wird". Grundwasser unterliegt also nur der Gravitationskraft und dem hydrostatischem Druck. Es bewegt sich (fließt) vorwiegend horizontal durch die Hohlräume des Untergrunds.

Nicht zum Grundwasser zählt das hygroskopisch, durch die Oberflächenspannung sowie durch Kapillarkräfte gebundene unterirdische Wasser der ungesättigten Bodenzone (Bodenfeuchte, Haftwasser). Auch das sich vorwiegend vertikal bewegende Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone gehört nicht zum Grundwasser.

Die in der Definition genannten "Hohlräume der Erdrinde" sind je nach geologischer Beschaffenheit des Untergrunds: Poren (Klastische Sedimente und Sedimentgesteine wie z. B. Sand, Kies, Schluff, Klüfte (Festgesteine, wie z. B. Granit, Quarzit, Gneis, Sandsteine) oder durch Lösung entstandene große Hohlräume (z. B. Kalkstein). Dem entsprechend unterscheidet man: Porengrundwasser, Kluftgrundwasser und Karstgrundwasser.

Grundwasser nimmt Teil am Wasserkreislauf. Die Verweilzeit reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen Millionen Jahren.

Grundwasserstockwerk

Grundwasserleiter im Verband mehrerer übereinander liegender Grundwasserleiter, die durch Grundwassernichtleiter und/oder Grundwassergeringleiter getrennt sind. Die Zählung der Stockwerke erfolgt von der Erdoberfläche nach unten.

Mit Grundwassernichtleiter, Aquifuge oder Aquiclude wurden in der Hydrogeologie die Schichten bezeichnet, die eine Grundwasser leitende Schicht (Aquifer) begrenzen und selbst kaum wasserdurchlässig (z. B. Tone) sind. Dadurch bilden sich Grundwasserstockwerke oder Grundwasserhorizonte. Weitere in diesem Zusammenhang gebrauchte Begriffe sind Grundwasserhemmer und Grundwassergeringleiter. Heutzutage wird eher von Grundwassergeringleitern gesprochen, da selbst der z.T. äußerst geringe Wassertransport in kaum leitenden Schichten für bestimmte Fragestellungen (Altlasten, Deponien, Endlager von chem. und radioaktiven Stoffen) eine gewisse Relevanz aufweist.

Wird durch eine Erdwärmebohrung eine hydrauli­sche Verbindung zweier ansonsten weiträumig getrennter Grundwasserstockwerke verursacht, so kann dies bei unterschiedlichen hydraulischen Druckhöhen und einer unzureichenden Abdichtung des Bohrlochs zu einem Übertritt von Wasser aus einem in das andere Stockwerk führen.

Insbesondere bei unterschiedlichen Beschaffen­heiten der Grundwässer oder vorhandenen Grundwasserverunreinigungen ist eine solche Stockwerksverbindung kritisch zu beurteilen. Die Schaffung derartiger hydraulischer Verbindungen kann zu Schädigungen führen, die eine spätere Nutzung der betroffenen Stockwerke, z.B. zur Trinkwassergewinnung, nicht mehr zulassen.

Durch eine ordnungsgemäße Verpressung der Erd­wärmebohrungen nach Einbau der Sonden können hydraulische Verbindungen zweier oder mehrerer Grundwasserstockwerke in der Regel mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass es insbesondere in Gebieten mit deutlicher Verkarstung oder Zerklüftung des Unter­grundes oder beim Vorkommen stark gespannter Grundwässer zu einer unzureichenden Verpressung von Bohrlöchern kommen kann.

Zeigen sich bereits bei den Bohrarbeiten für eine Erdwärmesonde große Druckunterschiede, sollte das Bohrloch daher bis zur Basis des oberen Grund­wasserstockwerks wasserdicht rückverfüllt und die

Erdwärmenutzung auf das obere Stockwerk be­schränkt werden. Bohrfirmen müssen daher stets ausreichend Material und die erforderliche Technik für eine vollständige Verpressung an der Bohrstelle vorhalten.

Grundwasserwärmebrunnen (auch Grundwasserwärmepumpen)

Abhängig vom Standort läßt sich Grundwasser über Brunnen entnehmen und direkt dem Wärmepumpenverdampfer zuleiten. Es muß jedoch wieder in den Untergrund eingeleitet werden, so dass neben Förderbrunnen auch Schluckbrunnen einzurichten sind (offene Systeme). Grundwasserwärmebrunnen können relativ hohe Wärmequellentemperaturen nutzen und vermeiden Wärmetauschverluste im Untergrund. Das wirkt sich günstig auf die Jahresarbeitszahlen aus. Bei größeren Anlagen sind diese Systeme daher Erdwärmesonden wirtschaftlich überlegen. Allerdings ist ihr Betrieb im Grundwasserbereich nicht immer unproblematisch, es muß eine entsprechend konstante Wasserführung sowie eine entsprechende Wasserqualität am Standort zur Verfügung stehen. Durch ungünstige Zusammensetzungen des Grundwassers können Verblockungen der Brunnen und Rohrleitungen auftreten.

Heizen und Kühlen mit Erdwärme

Für die meisten Anwendungen werden nur relativ niedrige Temperaturen benötigt. Aus tiefer Geothermie können häufig die benötigten Temperaturen direkt zur Verfügung gestellt werden. Reicht dies nicht, so kann die Temperatur durch Wärmepumpen angehoben werden, so wie dies meist bei der oberflächennahen Geothermie geschieht.

In Verbindung mit Wärmepumpen wird Erdwärme in der Regel zum Heizen und Kühlen von Gebäuden sowie zur Warmwasserbereitung eingesetzt.

Nur wenige Anwendungen sind ohne Wärmepumpe möglich. Die wichtigste ist die natürliche Kühlung, bei der Wasser mit der Temperatur des flachen Untergrundes, also der Jahresmitteltemperatur des Standortes, direkt zur Gebäudekühlung verwendet wird. Diese natürliche Kühlung hat das Potential, weltweit Millionen von elektrisch betriebenen Klimageräten zu ersetzen. Sie wird jedoch derzeit nur wenig angewendet.

Für die Wärmenutzung aus tiefer Geothermie eignen sich niedrigthermale Tiefengewässer mit Temperaturen zwischen 40 und 100 °C, wie sie vor allem im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen Tiefebene vorkommen. Das Thermalwasser wird gewöhnlich aus 1.000 bis 2.500 Metern Tiefe über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, gibt den wesentlichen Teil seiner Wärmeenergie per Wärmeüberträger an einen zweiten, den „sekundären“ Heiznetzkreislauf ab. Ausgekühlt wird es anschließend über eine zweite Bohrung wieder mit einer Pumpe in den Untergrund verpresst, und zwar in die Schicht, aus der es entnommen wurde.

Hochenthalpie-Lagerstätten

Die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten dominiert. Dies sind Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen. sind mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern.

Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen können Hochenthalpie-Lagerstätten mehr dampf- oder mehr wasserdominiert sein. Früher wurde der Dampf nach der Nutzung in die Luft entlassen, was zu erheblichem Schwefelgeruch führen konnte (Italien, Lardalello). Heute werden die abgekühlten Fluide in die Lagerstätte reinjiziert (zurückgepumpt). So werden negative Umwelteinwirkungen vermieden und gleichzeitig die Produktivität durch Aufrechterhalten eines höheren Druckniveaus in der Lagerstätte verbessert.

Das heiße Fluid kann zur Bereitstellung von Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Besonders interessant ist die Erzeugung von Strom aus dem heißen Dampf. Hierfür wird das im Untergrund erhitzte Wasser genutzt, um eine Turbine anzutreiben. Der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem steht so unter Druck, dass ein Sieden des eingepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst an der Turbine entsteht (Flush-Verfahren).

Hydrothermale Systeme

Für die hydrothermale Geothermie werden in großen Tiefen natürlich vorkommende Thermalwasservorräte, sogenannte Heißwasser-Aquifere (wasserführende Schichten) angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme oder Strom möglich.

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Über das Jahr verteilt ändern sich die Temperaturen, unter denen die Wärmepumpe arbeiten muss. Auch die gesamte Auslegung eines Wärmepumpen-Heizungssystems hat Einfluss auf seine Effizienz. Außerdem schwankt die von der Wärmepumpe abzugebende Wärmeleistung sehr stark durch Änderung der Luft- Außentemperatur zwischen Nennleistung und Null.

Daher wird für das gesamte Wärmepumpenheizungssystem die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Heizenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie an und liegt in der Größenordnung von 3 bis maximal 4,5. Wärmepumpenhersteller geben in der Regel eine unter optimalen Bedingungen ermittelte Jahresarbeitszahl an.

Kennzahlen

Wirkungsgrad / Leistungszahl COP

Bei Wärmepumpen wird der Wirkungsgrad in Form der Leistungszahl Epsilon oder neuerdings auch mit COP angegeben. Elektro-Kompressions-Wärmepumpen für die Gebäudeheizung erreichen im Dauerbetrieb unter festgelegten Norm-Betriebsbedingungen Leistungszahlen von rund 50 % der vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vorgegebenen Wirkungsgradgrenze, bezogen auf den eingesetzten Strom. Dieser Wert dient hauptsächlich zur Beurteilung der Qualität der Wärmepumpe selbst. Er berücksichtigt nicht den Rest des Heizungssystems.

Beim Einsatz einer Erdwärmesonde als Wärmequelle ist die Verdampfungstemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Eine Wärmepumpe, die als Wärmequelle die Umgebungsluft nutzt, hat eine deutlich niedrigere Verdampfungstemperatur als die Anlage mit einer Erdwärmesonde. Mit steigendem Wärmebedarf sinkt die Umgebungstemperatur und damit die Leistungszahl. Außerdem ist die Wärmeübergangszahl von Luft zu den Verdampferflächen niedrig. Es müssen Rippenrohre verwendet werden. Es ist ein Lüfter notwendig, der die Luft durch die Verdampferflächen drückt. In der folgenden Berechnung der Leistungszahl wird eine Außentemperatur von ca. 7 °C unterstellt bei einer Temperaturdifferenz von 12 °C zwischen Lufteintrittstemperatur und Verdampfungstemperatur des Kältemittels, so dass für

Es wird deutlich, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe durch die Bauart des Wärmeträgers, Verflüssiger und Verdampfer stark beeinflusst wird. Mit der Erdwärmesonde steht unabhängig von der herrschenden Außentemperatur eine Wärmequelle mit relativ hoher Temperatur zur Verfügung, während die Außenluft eine ungünstige Wärmequelle darstellt. Auf der Seite der Wärmesenke sollte mit einer möglichst großen Fläche eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Wärmeträgervorlauftemperatur angestrebt werden. In den dargestellten Beispielen variiert die Leistungszahl um den Faktor 1,8 zwischen der Erdwärmesonde/Fußbodenheizungswärmepumpe und der Außenluft/Radiatorwärmepumpe. Bezogen auf den Primärenergieeinsatz im Kraftwerk und unter Berücksichtigung der Gesamtverluste bei der Verteilung des Stroms zum Verbraucher ist der thermische Wirkungsgrad der Erdwärmesonde/Fußbodenheizungswärmepumpe etwa gleich, wenn die Primärenergie direkt in einem Heizungskessel genutzt wird.

Kontamination

Kontamination oder Kontaminierung (lat. contaminatio, „Befleckung“) bezeichnet als Fremdwort allgemein eine Vermischung, Verschmelzung oder Durchdringung. Hier bezeichnet Kontamination die Vergiftung oder Verunreinigung eines Organismus oder eines Systems durch unerwünschte oder Schadstoffe.

Kosten

Direkte Investitionen

Gute Wärmepumpenheizungen auf Erdkollektor- bzw. Erdsonden-Basis kosten im Neubau kaum mehr als eine Ölheizung. Gasheizungen sind jedoch kostengünstiger in der Anschaffung, nicht so sehr im Betrieb.

Eine Wärmepumpenheizung mit Erdsonde und Fußbodenheizung, evtl. auch teilweise Wandheizung, erspart Tankraum, Kamin, Ölbehälter, Jahresservice, Rauchfangkehrer, Stromkosten für Brenner etc.

Indirekte Investitionen

Die Anschlussleistung einer installierten Elektro-Wärmepumpe muss zusätzlich zum allgemeinen Bedarf im Stromnetz bereitgestellt werden. Die Investitionen für diese neue Kraftwerksleistung sind zu den Investitionen der Wärmepumpe hinzuzurechnen, da sie ohne diese nicht notwendig wären. Für eine Wärmepumpe mit 5 kW ergeben sich dabei, je nach verwendeter Technik und Primärenergieträger, Investitionen von ca. 2.500 € bis 15.000 €, welche auf alle Stromkunden umgelegt werden. Würden alle Heizungen in Deutschland (ca. 20 Millionen) mit dieser Wärmepumpe ersetzt, wäre dafür der Neubau von 100 Großkraftwerken (je 1 GW) nötig. Dieses Vorhaben ist mit 50 bis 300 Mrd. € Kosten weder finanziell noch logistisch zu bewerkstelligen.

Auch wenn diese zusätzliche Leistung nur an wenigen, sehr kalten Tagen im Jahr, selbst nur für einige Stunden vollständig abgerufen wird, muss sie trotzdem vorgehalten werden. Im Sommerhalbjahr hingegen ist diese Leistung nicht nutzbar, da kein Heizbedarf besteht und der Strombedarf insgesamt niedriger ist. Daraus ergibt sich eine aus betriebswirtschaftlicher Sicht sehr ungünstige Situation: Der Investitionskostenanteil am Strompreis steigt durch die niedrige Auslastung um ein mehrfaches und muss wieder auf den allgemeinen Strompreis umgelegt werden. Der Strom für Wärmepumpen wird trotzdem deutlich unter dem Normaltarif abgegeben, dies stellt die dritte Subvention der allgemeinen Stromkunden für die Betreiber einer Elektro-Wärmepumpe dar. Wegen der Halbierung der erforderlichen Primärenergien spart der Staat Devisen und schafft deshalb Anreize für eine Umstellung. Das Tempo der Umstellung auf klimafreundliche Heizsysteme wird uns die Entwicklung des Weltklimas diktieren, bzw. die CO2-Steuer und der Öl/Gas- Preis die heutigen Kostenüberlegungen bald zugunsten eines Wärmepumpenheizsystemes verändern lässt.

Wärmepumpen sind zwar in der Regel mit Abschaltmöglichkeiten (Schaltuhr bzw. Rundsteuerung) versehen, um im Falle der Netzhöchstlast keinen Beitrag zu liefern. Diese Abschaltmöglichkeit ändert aber nichts am beschriebenen Problem der Lasterhöhung im Netz. Moderne, normal ausgelegte Heizgeräte sind an den kältesten Tagen annähernd rund um die Uhr in Betrieb, gelegentliche Abschaltung zu Spitzenlastzeiten sind dabei zwar möglich, eine nötige Vollverschiebung vom Tag in die nächtliche Schwachlastzeit aber nicht. Zum einen würde dies einen großen Wärmespeicher erfordern, zweitens müsste dabei die Leistung der Wärmepumpe verdoppelt werden, was zum beschriebenen Problem wiederum kontraproduktiv ist.

Der Transportaufwand als Produkt aus Wegstrecke x Volumen der jeweiligen Energieträger vom Abbauort zum Verbrennungsort verursacht bei der Wärmepumpenheizung nur die Hälfte an Transportkosten und Transportrisiken, als dies bei der privaten konventionellen Heizung der Fall ist, es addieren sich allerdings die Leitungsverluste im Stromnetz. Dafür ist der technische Standard hinsichtlich Luftschadstoffbehandlung im Kraftwerk weitaus besser, als bei der Verfeuerung im privaten Bereich.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine Elektro-Wärmepumpe, im Gegensatz zur konventionellen Heizung, außerhalb ihres Einsatzortes im Kraftwerk indirekte Kosten in mehrfacher Höhe verursacht, welche durch den allgemeinen Stromtarif gestützt werden müssen. Den indirekten Kosten muss der langjährig eingesparte Primärenergieaufwand (Devisen) gegengerechnet und klimatechnisch (CO2-Emissionsrechte) bewertet werden.

Betriebskosten

Bei einem derzeitigen Brutto-Strompreis von 20 Cent/kWh (Haushalts-Tarif, Stand 06/2006, inkl. aller Steuern und Abgaben) und einer Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpenheizung von im besten Fall 4,0 kostet die Erzeugung der Niedertemperatur-Nutzwärme aus Erdwärme 5 Cent/kWh (brutto). Außerdem entfallen die Kosten für den Schornsteinfeger.

Der Liter Heizöl kostet derzeit (Stand 06/2006) ca. 0,62 € und beinhaltet etwa 10 kWh thermisch nutzbare Energie. Somit ergibt sich ein Preis von etwa 6,2 EuroCent/kWh für Öl.

Sehr moderne Öl-Brennwertthermen weisen im realen Betrieb Wirkungsgrade von mehr als 90 % auf. Damit ergibt sich ungünstigstenfalls für die Erzeugung der Nutzwärme ein Preis von 6,8 Cent/kWh Wärme.

Gas-Brennwertheizungen mit auf den Heizwert bezogenen Wirkungsgraden von über 100 % benötigen laut der Öko-Institut-Studie „Gas-Brennwertheizkessel als EcoTopTen-Produkt“ dennoch 1,114 kWh Primärenergie pro kWh Nutzenergie. Inbegriffen ist dann ebenfalls der Strom, der für die Umwälzpumpe etc. benötigt wird. Sie verursachen daher ebenfalls Kosten in Höhe von ca. 6,8 Cent pro kWh Nutzwärme.

Ein eventuell vom lokalen Stromversorger angebotener Wärmepumpentarif ist bzw. kann erheblich billiger sein als der verwendete Haushaltstarif. Der reine kWh-Preis liegt jedoch immer höher als der von fossilen Energieträgern. Daher ist der nur sinnvoll in Verbindung mit einer Wärmepumpe einsetzbar, die bis zum vierfachen der Energie der Umwelt entzieht. Bundesweite Wärmepumpen-Tarife werden in Deutschland momentan nicht angeboten, da dies in der Verbände-Vereinbarung zum Stromhandel nicht vorgesehen ist. Die Stadtwerke Schwerin bieten beispielsweise einen extrem günstigen Tarif von 10,4 Cent/kWh brutto zzgl. einem Grundpreis von 4,15 €/Monat brutto an.

Verschiedene Stromkonzerne und Wärmepumpenbetriebe veröffentlichen momentan Statistiken, die sich auf sehr günstige Wärmepumpentarife beziehen. Die ENBW veröffentlicht beispielsweise eine Übersicht der Jahresbetriebskosten für 3 Heizsysteme. Demnach verursacht die

Diese Kosten beinhalten die Mehrwertsteuer für Nebenkosten, beinhaltend Grundpreise, Schornsteinfeger, Wartung, benötigte Versicherungen, TÜV und Strom für Pumpen und Brenner. Als Referenz-Objekt wurde eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonde als Wärmequelle für die Beheizung eines 150 m² Einfamilienwohnhaus mit 90 kWh/m² pro Jahr; die Ölheizung mit Niedertemperatur-Kessel und die Erdgas-Zentralheizung mit einem Brennwertkessel ausgerüstet. Aktuelle Strompreise zum 1. Quartal 2005 für den Wärmepumpenbetrieb (EnBW Wärmepumpentarif) beträgt 9,5 ct/kWh, 40,9 ct/Liter Heizöl und 4,06 ct/kWh (EnBW Gas GmbH) für Erdgas.

Da ein Gebäude jedoch auch Wärme für die Trinkwasserbereitung benötigt und diese häufig bei Wärmepumpenheizung mittels elektr. Durchlauferhitzer erfolgt, sind die Gesamtkostendifferenzen oft erheblich ungünstiger für die Wärmepumpe, als zuvor dargestellt. Aus hygienischer Sicht ist es sinnvoll, Trinkwarmwasserspeicher auf 60 °C einzustellen, bei einer so hohen Temperatur ist die Arbeitszahl einer Wärmepumpe meist weit unter 3 und somit nicht sehr wirtschaftlich.

Volkswirtschaftlich betrachtet, haben Wärmepumpenheizungen das Potenzial, Brennstoffimporte zu reduzieren. Durch die Nutzung der Erd- oder Umgebungswärme kann der Verbrauch von Erdgas und Heizöl verringert werden. Der Blick zum obigen Preisvergleich gibt zugleich auch einen Abhängigkeitsgrad der Gas-Ölheizungen vom Ausland bekannt.

Kühlen und Klimakälte

Das in Mitteleuropa angetroffene Temperaturniveau macht den nahen Untergrund auch für die Bereitstellung von Klimakälte interessant. Er kann daher über Erdwärmesonden, Energiepfähle usw. direkt, also ohne Einschaltung einer Wärmepumpe zur Raumkühlung herangezogen werden. Dabei wird nur das System zirkulierende Wärmeträgermedium genutzt, bzw. mit Pumpen im Gebäude umgewälzt. Der Energieaufwand beschränkt sich auf den Stromverbrauch eben dieser Pumpen. Herkömmliche Aggregate zur Erzeugung von Klimakälte entfallen.

Der Wirtschaftlichkeit von erdgekoppelten Wärmepumpen kommt die direkte oder wärmepumpengestützte Kühlung sehr entgegen, sie können nun beides leisten: Heizen und Kühlen. So können in Einzelfällen bereits die Investitionskosten günstiger sein als wenn eine Heizung und eine getrennte Anlage zur Erzeugung von Klimakälte angeschafft werden müssen.

Lage

Wasserwirtschaftlich günstig sind folgende Lagen von Erdwärmeanlagen:

• außerhalb von Wasser- und Heilquellenschutz­gebieten oder in deren weiteren qualitativen Schutzzonen
• außerhalb der Einzugsgebiete öffentlicher Trink­wassergewinnungsanlagen oder staatlich aner­kannter Heilquellen ohne festgesetzte bzw. im Verfahren befindliche Schutzgebiete oder
• außerhalb des kontaminierten Bereichs einer Alt­last, einer schädlichen Bodenverunreinigung oder einer Grundwasserverunreinigung

Wasserwirtschaftlich ungünstig sind folgende Lagen von Erdwärmeanlagen:

• in den weiteren Schutzzonen III bzw. IIIA von Trinkwasserschutzgebieten,
• in den weiteren Schutzzonen III bzw. III/1 (quali­tativ) und B (quantitativ) von Heilquellenschutz­gebieten bzw. bei älteren Heilquellenschutz­gebieten in den entsprechenden Zonen (siehe unten) oder
• innerhalb des kontaminierten Bereichs einer Alt­last, einer schädlichen Bodenverunreinigung oder einer Grundwasserverunreinigung

Wasserwirtschaftlich unzulässig sind folgende Lagen von Erdwärmeanlagen:

• in den Schutzzonen I und II von festgesetzten Trinkwasserschutzgebieten.
• in den Schutzzonen I und II (qualitativ) und A (quantitativ) von Heilquellenschutzgebieten

Leistungszahl

Zur Beurteilung der energetischen Effizienz des Wärmepumpen (Kälte)- Prozesses wird das Verhältnis der vom System abgegebenen Nutzwärme zu der dem System zugeführten Energie ermittelt. Dazu werden die zwei Kennzahlen Leistungszahl und Arbeitszahl unterschieden.

Das Verhältnis von Heizleistung (kW) zu Antriebsleistung (kW) der Wärmepumpe in einem bestimmten Betriebszustand wird als Leistungszahl bezeichnet. Sie kennzeichnet die Effizienz der Wärmepumpe zu einem bestimmten Zeitpunkt bei definierten Rahmenbedingungen wie beispielsweise der Vorlauftemperatur und stellt deshalb nur einen Momentanwert dar.

Arbeitszahl und Leistungszahl sind im Wesentlichen von der zu überwindenden Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem abhängig. Sie steigen unter anderem mit einer hohen Wärmequellentemperatur und niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizsystem. Die Jahresarbeitszahl wird zusätzlich durch systemtechnische Abstimmung der Komponenten, den Anteil der Warmwasserbereitung am Gesamtwärmebedarf und durch das Nutzerverhalten beeinflußt.

Moderne Wärmepumpen weisen inzwischen beim Betrieb mit einer Erdwärmesondenanlage und einer Niedertemperaturheizung Jahresarbeitszahlen von 4 auf, das heißt sie stellen viermal soviel Heizwärme bereit, wie sie elektrische Arbeit zu deren Gewinnung benötigen.

Niederenthalpie-Lagerstätten

In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr unterschiedlich sein. In der Regel sind jedoch, wenn für die Nutzung höhere Temperaturen gebraucht werden, tiefe Bohrungen notwendig. Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung sind Temperaturen über 100 °C erforderlich. Liegen diese in einem Aquifer vor, so kann aus diesem Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden. Man spricht dann von Hydrothermaler Geothermie. Ist das Gestein, in dem die hohen Temperaturen angetroffen wurden, wenig permeabel, so dass aus ihm kein Wasser gefördert werden kann, so kann dort Wasser in einem künstlichen Risssystem zirkuliert werden. Dieses Verfahren wird als Petrothermale Geothermie bezeichnet. Eine weitere Möglichkeit, bei der allerdings vergleichsweise wenig Energie extrahiert wird, ist eine tiefe Erdwärmesonde, wobei das Wasser nur innerhalb der Sonde zirkuliert (Geschlossenes System).

Welches der in Frage kommenden Verfahren zum Einsatz kommt, ist von den geologischen Voraussetzungen am Standort, von der benötigten Energiemenge und dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung abhängig. Derzeit werden in Deutschland fast ausschließlich hydrothermale Systeme geplant. HDR-Verfahren befinden sich in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forêts im Elsass und in Basel in der Erprobung. In SE-Australien (Cooper Basin, New South Wales) ist seit 2001 ein kommerzielles Projekt im Gange (Firma Geodynamics Limited).

Nutzung von Erdwärme

Die Geothermie ist eine langfristig nutzbare Energiequelle. Mit den Vorräten, die in unserem Planeten gespeichert sind, könnte im Prinzip, rechnerisch und theoretisch der derzeitige weltweite Energiebedarf für über 100.000 Jahre gedeckt werden.

Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen direkter Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst und der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk (indirekte Nutzung). Aus der Sicht der Optimierung von Wirkungsgraden sind auch hier Kraft-Wärme-Kopplungen (KWK) optimal. Das Problem sind hierbei meistens die Abnehmer der Wärme. Nicht an jedem Kraftwerksstandort werden sich Abnehmer für die Wärme finden lassen. Die Forderung, Geothermie ausschließlich in KWK-Projekten zu nutzen, bleibt ein Wunschtraum.

Oberflächennahe Geothermie

Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark. Innerhalb der oberen Schichten des Erdbodens werden diese Temperaturen jedoch nicht bzw. nur sehr stark gedämpft nachvollzogen. Aus mathematischer Sicht folgt der Temperaturverlauf einer harmonischen Schwingung. In 5 bis 10 m Tiefe entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch der Jahresmitteltemperatur des Standortes (ca. 8 bis 10 °C in Deutschland).
Mittels unterirdischer Erdwärmeanlagen (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme), aber auch mit erdgebundenen Beton-Bauteilen wird die Wärme an die Oberfläche gefördert. Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren (Wärmepumpenheizung). Mit Erdwärme kann im Sommer aber auch gekühlt werden.

Ökologie

Die Geothermie erfüllt die Kriterien der Nachhaltigkeit. Sie gehört somit zu den regenerativen Energien, da ihr Potenzial sehr groß und nach menschlichem Ermessen unerschöpflich ist. Theoretisch würde allein die in den oberen 3 Kilometer der Erdkruste gespeicherte Energie ausreichen, um die Welt für etwa 100.000 Jahre mit Energie zu versorgen. Einen entscheidenden Einfluss muss jedoch dem Wärmeträgerfluid (Wasser od. Dampf) beigemessen werden. Wird die Wärme über das Fluid im großen Maßstab dem Untergrund entzogen, so wird, in Abhängigkeit von den geologischen Rahmenbedingungen, regional mehr Wärme entzogen, als durch den natürlichen Wärmestrom zunächst "nachfließen" kann. So gesehen wird die Wärme zunächst "abgebaut". Nach Beendigung der Nutzung werden sich jedoch die natürlichen Temperaturverhältnisse nach einer gewissen Zeit wieder einstellen. Geothermie ist eine der wenigen erneuerbaren Energien, die bei der Stromerzeugung grundlastfähig ist. Sie leistet daher einen entscheidenden Beitrag bei der Gestaltung eines Energiemixes aus regenerativen Energien. Nach den Vorstellungen der Branche werden durch Geothermie bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen Kohledioxid eingespart. Die Kosten für eine Tonne CO2-Einsparung liegen bei etwa 70 €/t (Vergleich: Photovoltaik 2210 €/t).

Ökonomie

Die geringe Nutzung der überall vorhandenen und vom Energieangebot her kostenlosen Geothermie liegt darin begründet, dass sowohl der Wärmestrom mit ˜ 0,06 Watt/m² als auch die Temperaturzunahme mit der Tiefe mit ˜ 3 °C/100 m in den zugänglichen Teilen der Erdkruste, von besonderen Standorten abgesehen, so gering sind, dass eine Nutzung zu Zeiten niedriger Energiepreise nicht wirtschaftlich war. Durch das Bewusstwerden des CO2-Problems und der absehbaren Verknappung der fossilen Energieträger setzte eine stärkere geologische Erkundung und technische Weiterentwicklung der Geothermie ein.

Da die eigentliche Energie, die Geothermie kostenlos ist, wird die Wirtschaftlichkeit einer Geothermienutzung vor allem durch die Investitionskosten (Zinsen) und Unterhaltskosten der Anlagen bestimmt.

Unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen (Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG) ist eine Wirtschaftlichkeit bei größeren Geothermieanlagen auch in Deutschland in vielen Gebieten, wie z. B. in Oberbayern, Oberrheingraben und Norddeutsches Becken, erreichbar.

Grundsätzlich sind größere Geothermieanlagen (über 0,5 MW und mit einer Tiefe von mehr als 500 m) immer mit gewissen Fündigkeitsrisiken behaftet, da die tieferen Erdschichten eben nur punktuell und oft in geringem Ausmaß erkundet sind. Dabei lassen sich die anzutreffenden Temperaturen meist recht gut prognostizieren, die bei hydrothermalen Anlagen aber besonders relevanten Schüttmengen sind jedoch häufig nicht gut vorhersehbar. Neuerdings werden allerdings Risikoversicherungen dazu angeboten.

Die oberflächennahe Erdwärmenutzung für die Heizung von Gebäuden mittels einer Wärmepumpe ist bereits konkurrenzfähig und zeichnet sich durch sehr niedrige Betriebskosten aus. Wärmepumpenheizungen bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Erdwärmesonde(n) und einer Wärmepumpe. 2004 wurden in Deutschland etwa 9.500 neue Anlagen errichtet, 2006 waren es schon 28.000, der Bestand übersteigt 130.000. In der Schweiz waren es 2004 rund 4.000 neue Anlagen mit Erdwärmenutzung. Der Marktanteil in Deutschland ist im Gegensatz zu Ländern wie Schweden, der Schweiz oder Österreich jedoch noch gering.

Bei den Betriebskosten spielt die Beständigkeit der Anlagen gegen Verschleiß (z. B. bewegte Teile einer Wärmepumpe) eine Rolle. Bei offenen Systemen kann Korrosion durch aggressive Bestandteile im wärmetransportierenden Wasser entstehen (alle Teile in der Erde und die Wärmeüberträger). Diese anfänglich bedeutenden Probleme sind jedoch heute weitgehend technisch gelöst.

Petrothermale Systeme

Das Prinzip der Nutzung der Geothermie aus heißem dichtem Gestein (HDR), siehe auch 'Petrothermale Systeme'

Das Prinzip der Nutzung der Geothermie aus heißem dichtem Gestein (HDR).

Gesteine in größerer Tiefe weisen eine hohe Temperatur auf. Sofern die Gesteine nahezu wasserfrei sind, kann die darin gespeicherte Energie zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden (Hot-Dry-Rock-Systeme: HDR). Um die Wärme dieser Gesteine nutzen zu können, müssen sie von Wasser als Wärmeträger durchflossen werden, das die Energie anschließend an die Oberfläche bringt.

Das in der Tiefe vorhandene heiße Gestein wird über Bohrungen erschlossen. Hierbei gibt es mindestens eine Förder- und eine Verpressbohrung, welche durch einen geschlossenen Wasserkreislauf verbunden sind. Zu Beginn wird Wasser mit enorm hohem Druck in das Gestein gepresst (hydraulische Stimulation); hierdurch werden Fließwege aufgebrochen oder vorhandene aufgeweitet und damit die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht. Dieses Vorgehen ist notwendig, da sonst die Wärmeübertragungsfläche und die Durchgängigkeit zu gering wären. Das so geschaffene System aus natürlichen und künstlichen Rissen bildet einen unterirdischen, geothermischen Wärmeüberträger. Durch die Injektions-/ Verpressbohrung wird Wasser in das Kluftsystem eingepresst, wo dieses zirkuliert und sich erhitzt. Anschließend wird es durch die zweite Bohrung, die Produktions-/Förderbohrung, wieder an die Oberfläche gefördert.

Regenerative Energien

Erneuerbare Energie, auch regenerative Energie genannt, bezeichnet Energie aus nachhaltigen Quellen, die nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich sind. Das Grundprinzip ihrer Nutzung besteht darin, dass aus den in der Umwelt laufend stattfindenden Prozessen Energie abgezweigt und der technischen Verwendung zugeführt wird.

Die vom Menschen nutzbaren Energieströme entspringen unterschiedlichen Primärquellen:

• Ø der thermonuklearen Umwandlung in der Sonne,
• Ø dem radioaktiven Zerfall im Erdinnern,
• Ø der Erdrotation und den damit verbundenen Effekten (Gezeiten).

Auf der Erde können diese Energiequellen in Form von Sonnenlicht und -wärme, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme genutzt werden.

Rundsteuerempfänger

Die Rundsteuertechnik dient zur Fernsteuerung von Verbrauchern im Versorgungsnetz eines Energieversorgungsunternehmen (EVU). Als Übertragungsweg wird das normale Energieversorgungsnetz verwendet.

Dem fernzusteuernden Verbraucher ist ein spezieller Empfänger (Rundsteuerempfänger) vorgeschaltet, der die Impulstelegramme wieder aus dem Netz ausfiltert und daraus die gewünschte Steuerinformation ableitet. Anwendung findet diese Technik vor allem in den so genannten Schwachlastphasen der EVUs. Von anderen Kunden nicht genutzte Kapazitäten – der so genannte Nachtstrom – werden dann vergünstigt für den Betrieb von elektrischen Speicherheizungen angeboten. Dabei erfolgt eine Umschaltung der Mehrtarif-Stromzähler vom Hoch- auf Niedrigtarif und zurück. Bei Niedrigtarif werden die angeschlossenen Speicherheizungen aufgeladen. Auch Industrietarife und öffentliche Beleuchtungsanlagen werden z. T. darüber geschaltet. Der ursprüngliche Sinn dieser Nachtstromtarifumschaltung bekommt durch die Liberalisierung im Strommarkt eine neue Bedeutung.

Saisonale Wärmespeicher

Geothermie steht immer, also unabhängig von der Tages- und Jahreszeit und auch unabhängig vom Wetter zur Verfügung. Optimal wird eine Anlage, in der das oberflächennahe Temperaturniveau genutzt werden soll, dann arbeiten, wenn sie auch zeithomogen genutzt wird. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn im Winter mit Hilfe einer Wärmepumpe das oberflächennahe Temperaturniveau von ca. 10 °C zum Heizen genutzt wird und sich dabei entsprechend absenkt und im Sommer dann dieses Reservoir zur direkten Kühlung benutzt wird. Beim Kühlen im Sommer ergibt sich dabei eine Erwärmung des oberflächennahen Reservoirs und damit dessen teilweise oder vollständige Regeneration. Im Idealfall sind beide Energiemengen gleich. Der Energieverbrauch des Systems besteht dann im Wesentlichen aus der Antriebsleistung für die Wärme- bzw. Umwälzpumpe.

Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Anlagen z. B. Solarthermie kombiniert wird. Solarthermie stellt Wärme vorwiegend im Sommer zur Verfügung, wenn sie weniger gebraucht wird. Durch Kombination mit Geothermie lässt sich diese Energie im Sommer in den unterirdischen Wärmespeicher einspeisen und im Winter wieder abrufen. Die Verluste sind standortabhängig, aber in der Regel gering.

Saisonale Speicher können sowohl oberflächennah, als auch tief ausgeführt werden. So genannte Hochtemperatur-Speicher (> 50 °C) sind allerdings nur in größerer Tiefe denkbar. Beispielsweise verfügt das Reichtagsgebäude über einen derartigen Speicher.

Schadstoff

Im täglichen Sprachgebrauch versteht man unter Schadstoffen in der Umwelt vorhandene Stoffe oder Stoffgemische, die schädlich für Menschen, Tiere, Pflanzen oder andere Organismen sowie ganze Ökosysteme sein können. Dabei kann die Schädigung durch Aufnahme durch Organismen oder Eintrag in ein Ökosystem oder seine Biomasse hervorgerufen werden. Als „schädlich“ wird ein Stoff in engerem Sinne wegen seiner Wirkung auf ein Ökosystem definiert (von den Mikroben bis hin zu Pflanze, Tier und Mensch).

Das deutsche Strafgesetzbuch (StGB) beschreibt im 29. Abschnitt in den Paragraphen 324 bis 330 die möglichen Straftaten gegen die Umwelt. Danach ist es strafbar, Stoffe in einem Umfang freizusetzen, der geeignet ist

1. die Gesundheit eines anderen, von Tieren, Pflanzen oder andere Sachen mit bedeutendem Wert zu schädigen oder
2. nachhaltig ein Gewässer, die Luft oder den Boden zu verunreinigen oder in einer sonstigen Weise nachteilig zu verändern.

Diese Festlegung zeigt jedoch auch die Schwierigkeit bei der Definition dieses Begriffes auf. Ein bestimmter, chemisch definierter Stoff (Substanz) ist also nicht unbedingt in jedem Falle der Kategorie Schadstoff (oder auch Giftstoff) eindeutig zuordenbar oder auszuschließen, sondern es kommt auch auf die Menge und die Umgebungssituation an. Die Wirkung eines Schadstoffes (wie auch eines Giftstoffes) auf ein Ökosystem muss daher unter Umständen durch Feldversuche, Langzeitexperimente und Schadstoff-Analysen in Form von qualitativen Nachweisreaktionen und quantitativ-instrumentelle Messungen untersucht und dokumentiert werden.

Abgase von Autos vergiften die Atmosphäre, hierbei vor allem die toxischen Schwermetalle, wie Blei, Quecksilber und Cadmium oder Pestizide wie DDT, Polychlorierte Biphenyle (PCB), Hexachlorbenzol (HCB) usw. wobei manche in Deutschland verboten sind. Das Grundwasser wird dadurch vergiftet und es gelangen zum Beispiel durch Fische oder andere Wasserbewohner die vergifteten Tiere in die Nahrungskette.

Detaillierte Informationen zu Schadstoffen finden Sie im Schadstofflexikon

Sole

Sole (aus spätmittelhochdt sul, sol Salzbrühe) ist eine Salz-Wasser-Lösung. Ursprünglich bezeichnete der Ausdruck nur die Kochsalz-Lösungen, aus denen in Salinen, Salzbergwerken oder am Meer Salz gewonnen wurde. Durch Eindampfen an der Sonne oder Sieden der Sole wird dann Kochsalz gewonnen.

Im Zusammenhang mit Erdwärmeanlagen wird die in geschlossenen Systemen (Erdwärmesonde) enthaltene Wärmetauscherflüssigkeit ebenfalls als Sole bezeichnet. Es handelt sich hierbei um Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt, i. d. R. Glykole und Alkohole.

Sperrzeiten

Wärmepumpenheizungen erfordern keine zusätzliche Kraftwerkskapazität, weil sie zu Spitzenlastzeiten bis zu 3x2 Stunden pro Tag abgeschaltet werden können (TAB). Allerdings können viele Energieversorgungsunternehmen von dieser Möglichkeit nach unten abweichen, da sie die Sperrzeiten mittels der Rundsteuerempfänger bezogen auf die tatsächliche Last steuern. Die Sperrzeiten sind dann relativ kurz, so dass ein erhöhter technischer Aufwand für eine Sperrzeitüberbrückung nicht notwendig wird. Pufferspeicher sind für die Überbrückung von Sperrzeiten sowieso nur bedingt einsetzbar, da für die Abschaltzeit der WP vom EVU kein Vorsignal gegeben wird. Daher könnte der Temperaturfühler im Pufferspeicher bei Eintritt der Sperrzeit gerade das „Ein“-Signal zum Anlauf der Wärmepumpe geben. Tritt dieser Fall ein, befindet sich im Pufferspeicher kein oder nur ein geringes nutzbares Temperaturgefälle. Jedoch ist die Gefahr, dass ein Gebäude durch eine Sperrzeit abkühlt, relativ gering, aber in begrenztem Umfang möglich (Abkühlung 1-2 K), z. B. bei einem Gebäude ohne oder mit nur wenig Speichermassen.

Thermalwasser - geothermische Heizwerke

In Deutschland entstanden geothermische Heizwerke zuerst dort, wo es im Untergrund Thermalwasser gibt. Größere Vorkommen finden sich z.B. in der Norddeutschen Tiefebene, im Süddeutschen Molassebecken zwischen Donau und Alpen, unter der Schwäbischen Alb oder im Oberrheintal. Sie verfügen über Temperaturen von ca. 40 °C bis knapp über 100 °C. Im Oberrheintal und in Bayern gibt es auch Aquifere mit Thermalwassertemperaturen von mehr als 100 °C.

Das warme oder heiße Wasser wird über eine Tiefbohrung an die Oberfläche gefördert, ausgekühlt und bei geothermischer Nutzung über eine weitere Bohrung wieder in den Untergrund zurückgeschickt, und zwar in die Schicht, aus der es auch entnommen wurde. Auf diese Weise wird das hydraulische Gleichgewicht im Untergrund erhalten und der Speicher nicht leergepumpt. Die aus dem Wasser entnommene Wärme wird in ein Fernwärmenetz übertragen. Ein solches Wärmeversorgungssystem mit zwei Bohrungen bezeichnet man als eine geothermische Dublette. Geothermische Heizwerke können über eine installierte Leistung von mehr als 20 Megawatt verfügen und mehrere Tausend Wohnungen mit Wärme versorgen.

Tiefe Erdwärmesonden

Die tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung. Sie besteht aus einer 2000 bis 3000 m tiefen Bohrung, in der ein Fluid zirkuliert. In der Regel ist das Fluid (Sole) in einem koaxialem Rohr eingeschlossen: Im Ringraum der Bohrung fließt das kalte Wärmeträgerfluid nach unten, um anschließend in der dünneren eingehängten Steigleitung erwärmt wieder aufzusteigen. Derartige Erdwärmesonden haben gegenüber offenen Systemen den Vorteil, dass kein Kontakt zum Grundwasser besteht. Sie sind an jedem Standort möglich. Ihre Entzugsleistung hängt neben technischen Parametern von den Gebirgstemperaturen und den Leitfähigkeiten des Gesteins ab. Sie wird jedoch nur einige hundert kW betragen und somit wesentlich kleiner sein als bei einem vergleichbaren offenen System. Dies liegt daran, dass die Wärmeübertragungsfläche mit dem Gebirge sehr klein ist, da sie nur der Mantelfläche der Bohrung entspricht.

Tiefengeothermie

Mit zunehmender Tiefe in der Erdkruste steigt die Temperatur an. Im Durchschnitt beträgt die Temperaturerhöhung 35 K bis 40 K pro Kilometer Eindringtiefe (geothermische Tiefenstufe). Dieser Wert schwankt regional jedoch oft stark. Abweichungen vom Standard werden als Wärmeanomalien bezeichnet. Interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höheren Temperaturen. Hier können die Temperaturen schon in geringer Tiefe mehrere hundert Grad betragen. Derartige Anomalien sind häufig an Vulkanaktivität geknüpft. In der Geothermie gelten sie als hochenthalpe Lagerstätten. Sie werden weltweit zur Stromerzeugung genutzt.

Trinkwasserschutzgebiet

Wasserschutzgebiete werden festgesetzt, um Grund- und Oberflächenwasser, die zur öffentlichen Trinkwasserversorgung genutzt werden, vor nachteiligen Einwirkungen zu schützen. Innerhalb des Wasserschutzgebietes können daher Handlungen und Nutzungen eingeschränkt oder verboten sowie Eigentümer und Nutzungsberechtigte von Grundstücken zur Duldung bestimmter Maßnahmen verpflichtet werden.

Das Grundwasser unterliegt erheblichen Gefahren schädlicher Einflüsse durch menschliches Handeln, z. B.

• Ø Eintrag wassergefährdender Stoffe wie Öle, Kraftstoffe, Lösungsmittel
• Ø Eintrag von Dünger und Pflanzenschutzmittel durch die Landwirtschaft
• Ø Stoffeintrag durch Altstandorte der Industrie, Altablagerungen, Müllbeseitigung
• Ø Undichtigkeiten von Kanalisationen, Verkehr, Straßen
• Ø Verletzung der oberen Bodenschichten (z. B. Gruben, Tagebaue)
• Ø Luftverunreinigungen (Deposition von Luftschadstoffen in Gewässer und Boden)

Zum Schutz werden daher verschiedene Wasserschutzzonen festgesetzt:

Wasserschutzzone I – Fassungsbereich:

Sie schützt die eigentliche Fassungsanlage (Brunnen) im Nahbereich. Jegliche anderweitige Nutzung und das Betreten für Unbefugte sind verboten.

Wasserschutzzone II - Engere Schutzzone:

Vom Rand der engeren Schutzzone soll die Fließzeit zu den Brunnen mindestens 50 Tage betragen, um das Trinkwasser vor bakteriellen Verunreinigungen zu schützen. Bei sehr günstigen Untergrundverhältnissen (z. B. gespannter Grundwasserspiegel) soll die Grenze mindestens 10 m Abstand von der Wasserfassung haben. Die Verletzung der Deckschicht ist verboten, deshalb gelten Nutzungsbeschränkungen u.a. für:

• Ø Bebauung
• Ø Landwirtschaft, v.a. bzgl. Düngung
• Ø Umgang mit Wasserschadstoffen
• Ø Bodennutzung mit Verletzung der oberen Bodenschichten
• Ø Straßenbau

Wasserschutzzone III - Weitere Schutzzone:

Sie umfasst das gesamte Einzugsgebiet der geschützten Wasserfassung. Hier gelten Verbote bzw. Nutzungseinschränkungen wie beispielsweise:

- Ablagern von Schutt, Abfallstoffen, wassergefährdenden Stoffen

- Anwendung von Gülle, Klärschlamm, Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel,

- Massentierhaltung, Kläranlagen, Sand- und Kiesgruben

Verteiler und Horizontale Anschlußarbeiten

Nach Fertigstellung der Erdwärmesondenbohrung, wird die Erdwärmesonde eingebaut und anschließend mit einer speziellen quellfähigen, dauerhaften und abdichtenden Suspension verfüllt. Erst dadurch ist die Funktionsfähigkeit einer Erdwärmesondenanlage gewährleistet und ein guter Wärmeübergang sichergestellt. Anschließend wird ein Rohrgraben in etwa 1,2 – 1,5 m Tiefe (0,3 m unterhalb der Frostgrenze) zum Gebäude erstellt. Die nun einzeln oder über Y-Stücke angeschweißten Rohrleitungen werden zum Gebäude leicht ansteigend in einem Sandbett verlegt. Dadurch können die Leitungen sowie die Erdwärmesonden gut entlüftet werden. Die Leitungen werden bei mehreren Erdwärmesonden auf einen Verteiler geführt. Dieser sollte auch für spätere Revisionen zugänglich angeordnet werden, z.B. in eigenen Verteilerschächten oder Kellerfenster-Schächten. Sämtliche verlegte Rohre und Formstücke sind aus korrosionsbeständigem Material zu erstellen. Alle Leitungen im Gebäude sowie die Mauerdurchführungen müssen Dampf-diffusionsdicht isoliert werden, um Schwitzwasser zu vermeiden, denn Vorlauf- und Rücklaufleitungen führen gegenüber der Kellertemperatur kalte Sole. Da eine Volumenänderung der Sole bei verschiedenen Temperaturen auftritt, sind Sicherheitsarmaturen und Ausgleichsgefäße erforderlich. Die gesamte Erdwärmesondenanlage, einschließlich Verteiler und Verbindungsleitungen, ist vor der Inbetriebnahme abzudrücken.

Wärmepumpe

Die Wärmepumpe stellt Heizwärme zur Verfügung, indem sie Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres nutzbares Niveau fördert, beispielsweise von 10 °C Erdwärme auf 35-40 °C nutzbare Wärme. Weil sich Energie nicht ohne äußere Einflüsse auf ein höheres Temperaturniveau umwandeln läßt, muß weitere Energie hinzugefügt werden. Das leistet i. d. R. die mechanische Antriebsenergie für den Kompressor.

Das Prinzip der Wärmepumpe entspricht dem Prinzip eines Kühlschrankes, an dessen Rückseite ebenfalls Wärme produziert wird. Der Kühlschrank kühlt einen kleinen, begrenzten Luftraum und erwärmt gleichzeitig einen aus Sicht des Kühlschrankes unendlichen Luftraum. Die Wärmepumpe kühlt umgekehrt nicht gezielt einen kleinen Luftraum, sondern eine aus Sicht einer Wärmepumpe unerschöpfliche Wärmequelle, die von der Kühlung durch die Wärmepumpe nicht beeinflußt wird (entsprechende Auslegung bei Erdsonden erforderlich), während sie gleichzeitig einen kleinen, begrenzten Luftraum erwärmt. Der Kreislauf einer typischen Wärmepumpe (Kompressionswärmepumpe mit Elektro-, Gas- oder Dieselantrieb) besteht aus Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion eines Kältemittels. Dieses Kältemittel befindet sich im Verdampfer zunächst im flüssigen Zustand, wobei die Temperatur der umgebenden Wärmequelle höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels. Dadurch bedingt findet eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Kältemittel statt, wodurch dieses genügend Energie erhält, um zu verdampfen. Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf kontinuierlich an, welcher beim Verdichten auf ein mehrfaches verdichtet und dabei erhitzt wird. Er gibt die Wärme im Kondensator an den Wärmenutzer ab (z.B. Rücklauf der Heizung), wobei die Temperatur des Wärmenutzers unter der Verflüssigungstemperatur des Kältemitteldampfes liegt. Das nunmehr wieder flüssige Kältemittel verliert durch ein Expansionsventil soviel Druck und Temperatur, dass das Niveau wieder unter die Temperatur der Wärmequelle sinkt, so dass im Verdampfer wiederum Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen werden kann. Bei der Absorptionswärmepumpe macht man sich in Abweichung davon den Effekt zunutze, dass bei der Absorption eines Kältemittels in einem Lösungsmittel Absorptionswärme frei wird, so dass auf die Erwärmung durch Verdichtung verzichtet werden kann.

Funktionsweise einer Wärmepumpe:

1) Verdampfer
Die Umweltenergie aus der Luft, der Erde oder dem Wasser (z.B. 10 °C) bringt das in der Wärmepumpe zirkulierende, FCKW-freie Medium z.B. R 407 c, das einen sehr tiefen Siedepunkt aufweist, zum Verdampfen.

2) Verdichter/ Kompressor
Der i.d.R. elektrisch angetriebene Kompressor bringt das verdampfte Medium auf hohen Druck und ein hohes Temperaturniveau.

3) Kondensator
Die Energie nun auf einem hohen Temperaturniveau wird an das Heizungsmedium abgegeben. Das gasförmige Medium (Arbeitsmittel/ Kältemittel) wird wieder flüssig.

4) Expansionsventil
Im Expansionsventil wird der Druck abgebaut.
Eine Absorptionswärmepumpe kann durch verschiedene eingesetzte Kältemittel als ein- oder zweistufiges Verfahren ausgelegt werden mit der Option, Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus zur Verfügung zu stellen. Absorptionswärmepumpen sind für den privaten Gebrauch (EFH) noch nicht geeignet.

Wärmepumpen sind insgesamt durch die konsequente Weiterentwicklung aller Komponenten und Systeme ausgereift. Kompakte Einheiten enthalten alle Bauteile, die eine schnelle Montage und eine fehlerfreie Installation sicherstellen. Die Qualität steht der konventionellen Heizsysteme in nichts nach.
Erdgekoppelte Wärmepumpen werden heute bereits von Energieversorgern im Contracting in Konkurrenz zu Gas- und Ölfeuerungsanlagen zu vergleichbaren Preisen angeboten.

Große Hersteller von Wärmepumpen (unvollständig)

Ø Alpha-Innotec, Kasendorf

Ø Danfoss, Nordborg (Dänemark)

Ø Dimplex, Kulmbach

Ø Junkers (Gasgeräte) bzw. BBT Thermotechnik, Wetzlar

Ø Nibe, Celle

Ø Stiebel Eltron mit Tochtergesellschaft Tecalor, Holzminden

Ø Vaillant, Remscheid

Ø Viessmann, Allendorf

Ø Waterkotte, Herne

Ø Weishaupt GmbH, Schwendi

Wärmequellen einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe transformiert bereits vorhandene Wärme in einem thermodynamischen Kreislauf auf ein höheres, nutzbares Wärmeniveau. Die vorhandene Wärme kann aus unterschiedlichen Quellen genutzt werden. Für diese Transformation ist Fremdenergie erforderlich, jedoch ist der Wirkungsgrad der eingesetzten Fremdenergie dadurch besonders hoch, dass die vorhandene Wärme aus der genutzten Wärmequelle kostenlos zur Verfügung steht.

Bewährt haben sich als Wärmequellenanlage:

- Erdwärmesonden
- Erdwärmekollektoren

- Grundwasserwärmebrunnen
- Energiepfähle

Wärmespeicherung

Im Sommer liefert das gemäßigte Klima ein Überangebot an Wärme, im Winter besteht ein Defizit. Ein Ausgleich kann über den Untergrund erfolgen. Es stehen verschiedenen Speichertechnologien bzw. -alternativen zur Verfügung.

• Wärme- oder Kältespeicherung
• mit oder ohne Wärmepumpen
• Aquiferspeicher
• Erdwärmesondenspeicher
• Wärmequellen Abwärme, Umgebungswärme, Sonnenenergie

Geothermische Speichertechnologien sind zwar weltweit verbreitet, in Deutschland bislang aber nur wenig umgesetzt worden. Das Interesse nimmt jedoch zu. Das Energieverbundkonzept des Berliner Reichstags und einiger benachbarter Parlamentsgebäude enthält z. B. zwei geothermische Speicherelemente: einen Aquifer-Kältespeicher und einen tieferen Aquifer Wärmespeicher von ca. 300 m Teufe. Beide werden über Bohrungen erschlossen.

Wärmetauscher

Der Wärmeüberträger ist ein Apparat, der vorwiegend Wärme bzw. thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Umgangssprachlich wird er auch als Wärmetauscher bezeichnet. Der Wirkungsgrad im Sinne des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist das Verhältnis von aufgenommener thermischer Energie auf der kalten Seite zu abgegebener Energie auf der warmen Seite. Da Wärmedämmung die Wärmeabgabe an die Umgebung verringert aber nicht verhindert, geht ein Teil der Wärme verloren. In Abhängigkeit davon, wie groß die Temperaturdifferenz zwischen den Medien und der Umgebung ist, kann dieser Verlust mehr oder weniger groß sein.

Die Leistungsfähigkeit eines Wärmeüberträgers ist dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukühlen. Eine natürliche Grenze hierfür wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer vom warmen zum kalten Stoffstrom fließt.

Hierzu ein Beispiel:

Man stelle sich zwei Wasserströme vor, von denen der eine eine Temperatur von 50 °C (Warmwasser) und der andere eine von 10 °C (kaltes Leitungswasser) habe. Beide Wasserströme seien gleich groß, beispielsweise 1 kg/s. Mischt man beide Wasserströme, so ergeben sich 2 kg/s Wasser von 30 °C. Die Temperaturerhöhung beträgt 20K.

Wärmeträgerflüssigkeit

Das Wärmeträgermedium, meist Wasser, hat die Aufgabe, die im Absorber gewonnene Energie zum Wärmespeicher zu transportieren. Das Wärmeträgermedium darf nicht umweltschädigend und giftig sein. Es muss vollständig abbaubar und frostsicher sein.

Nachfolgend sind eine Reihe üblicher Produkte zusammengestellt:

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 „Benutzungs-tatbestand“. 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 Erdwärmesonde bzw. den Erdwärmekollektor oder das Auslaufen eines wassergefähr­denden Wärmeträgermittels zu einer schädlichen Veränderung der Beschaffenheit des Wassers führen.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von abgegebener Leistung (Pab = Nutzen) zu zugeführter Leistung (Pzu = Aufwand). Er wird verwendet, um die Effizienz von Energiewandlungen, aber auch von Energieübertragungen, zu beschreiben. Der Wirkungsgrad wird häufig mit dem Gütegrad verwechselt.

Neben der allgemeinen Definition haben sich auch weitere Begriffe, wie beispielsweise Nutzungsgrad oder Arbeitszahl etabliert, die je nach Fachbereich bestimmte Randbedingungen und Besonderheiten des Energieflusses in den betrachteten Systemen berücksichtigen.

Der Wirkungsgrad wird mit η (Eta) bezeichnet. Er ist eine dimensionslose Größe und hat einen Wert zwischen 0 und 1 oder in Prozent ausgedrückt, zwischen 0 und 100 %.