“Zu viele ineffiziente Anlagen“

Das Interesse am Biberacher Geothermietag – der fünfte in Folge – war noch nie so groß wie am 27. November 2008. Mit rund 160 Teilnehmern aus Süddeutschland, Österreich und der Schweiz dokumentiert die Veranstaltung ein Stück Geothermiegeschichte nach dem Motto „vom Exoten zum trendigen Energiekonzept“. Trotz nachgebender Baukonjunktur meldet die Branche sogar neue Rekordzahlen: So stieg die Anzahl der installierten Erdwärmepumpen von 27000 in 2007 auf rund 40000 in 2008, meldet der Bundesverband Geothermie.

Doch wo viel Licht ist, ist starker Schatten. Gleich zu Beginn der Tagung setzte es aus dem Auditorium harsche Kritik von Udo Pasler, Referat 22 im Umweltministerium Baden-Württemberg, der die Situation in der Praxis auf den Punkt brachte: „Die Qualität in der Ausführung bleibt auf der Strecke“. Und weiter: „Die Effizienz der Geothermie lässt zu wünschen übrig.“ Es gebe ernsthafte Probleme in Planung und Ausführung, eine Qualitätsoffensive der Industrie sei unbedingt notwendig.

Schludern bis der Doktor kommt

Diese Phase hat die schweizerische Wärmepumpenbranche bereits hinter sich. Peter Hubacher, Leiter Ressort Qualitätssicherung bei der Fördergemeinschaft Wärmepumpe Schweiz (FWS) und allseits bekannt als „Wärmepumpendoktor“, kennt die Eigenheiten des Wärmepumpenmarktes in Zeiten großer Nachfrage. So sei typisch, dass die Hersteller von Wärmepumpen mit steigender Nachfrage mit Innovationen sparen. So gebe es seit dem Jahr 2000 – dem Beginn des Wärmepumpenbooms in der Schweiz – praktisch keine Effizienzverbesserungen mehr.

Auch werde zu wenig geplant und berechnet und zu viel geschätzt. Deshalb seien auch viele Erdwärmepumpen-Anlagen mit Erdsonden über­dimensioniert. Oft werden für ein Einfamilienhaus zwei Sonden gebohrt, obwohl eine reichen würde. Dies führe neben höheren Investitions­kosten zu einem dauerhaft höheren Stromverbrauch bei der Solepumpe. So liege der Anteil der Solekreispumpen an der elektrischen Leistungsaufnahme bei den untersuchten Erdwärmepumpen bei rund 13 %. Insgesamt werde das Energie­einsparpotenzial einer exakteren Auslegung von Sonden und Solepumpe unterschätzt, betont ­Hubacher.

Bei einer Feldanalyse von 250 Klein-Wärmepumpen sei man auf sehr viele unzufriedene Wärmepumpen-Betreiber gestoßen. Meistens seien Wärmepumpen zu groß dimensioniert und die Hydraulik zu komplex. Bei manchen Anlagen seien die Jahresbetriebszeiten zu lang, sodass sich das Erdreich nicht ausreichend regenerieren könne. Als positiv erwähnt Hubacher die niedri-gen Wartungskosten der untersuchten Anlagen. Für Service und Wartung gaben die Betreiber pro Jahr im Durchschnitt 18,50 Schweizer Franken aus. Allerdings müsse ab dem achten Betriebsjahr mit höheren Reparaturkosten ge­rechnet werden.

Es mangelt im Feld an Qualität

Wichtig für die Qualitätsverbesserung seien eine souveräne Fehlerbewältigung und ein umfassendes Fortbildungsangebot, z.B. für Bohrmeister. Hubacher geht davon aus, dass künftig verstärkt Luft/Wasser-Wärmepumpen nachgefragt werden, da viele alte konventionelle Heizungsanlagen saniert werden müssten, die Erschließung von Erdwärme aber zu aufwendig oder gar unmöglich sei. Sinnvoll sei es, zuerst das Gebäude wärmetechnisch zu sanieren und erst dann zur Wärmepumpe zu wechseln.

Das mangelhafte Qualitätsbewusstsein der Wärmepumpen-Akteure war auch Thema der ­anschließenden Diskussion. „Es hapert hinten und vorn“, so ein Diskussionsbeitrag. Bruno ­Loringer, zuständiger Mitarbeiter im Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg für die Qualifizierungskampagne Erneuerbare Energien und Mit­initiator der Baden-Württemberg-Variante des „Wärmepumpendoktors“, wies auf „schwere Krankheitsfälle“ bei den Wärmepumpen hin, die dann der Wärmepumpendoktor zu therapieren habe. Typisch für Problem­anlagen seien die ­„geschätzte Sondenauslegung“ sowie ein all­gemein niedriger Qualitätsstandard bei der Ausführung der Geothermie-Anlage. Es sei deshalb wichtig, die planerischen Vorgaben so zu ver­ändern, dass qualitativ höherwertige Anlagen entstehen. Außerdem müsse die Industrie ein eigenes Qualitätsmanagement für geo­thermische Wärmepumpenanlagen aufbauen.

Nicht jede Anlage ist energieeffizient

Kritik an den Werbeaussagen der Wärmepumpen-Hersteller kam von Rigobert Zimpfer, der die Ergebnisse einer zweijährigen Untersuchung der lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie Lahr – an 33 Wärmepumpenanlagen für Heizung und fünf Wärmepumpenanlagen zur Trinkwassererwärmung präsentierte. Während in den Katalogen der Hersteller Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 4,0 versprochen werden, lägen die tatsächlich ge­messenen Werte oft signifikant tiefer.

Nur zwei der untersuchten 33 Wärmepumpenanlagen würden den Angaben des Herstellers entsprechen. Ansonsten erreichen in der besagten Untersuchung Erdreich-Wärmepumpen in Kombination mit Fußbodenheizung im Mittel eine JAZ von 3,4; Grundwasser-Wärmepumpen von 3,0. Das Schlusslicht bilden die Luft-Wasser-Wärmepumpen: Bei Fußbodenheizung liegt deren JAZ bei 2,8, bei Radiatorenheizungen bei 2,3. Erfolgt die Trinkwassererwärmung über die Wärmepumpe, liege die JAZ im Mittel um 0,3 Punkte niedriger. Das heißt, bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit integrierter Trinkwassererwärmung liegt die JAZ also nur bei 2,0. Von Energieeffizienz und Primärenergieeinsparung könne dann keine Rede mehr sein.

Im Verständnis der Deutschen Energieagentur dena und des Energieversorgers RWE seien Elektro-Wärmepumpen bei dem in Deutschland vorhandenen Strom-Mix nur dann als „energieeffi­zient“ zu bezeichnen, wenn die JAZ bei mindestens 3,0 läge. Wer das Prädikat „nennenswert energieeffizient“ erreichen wolle, müsse eine JAZ von mindestens 3,5 vorweisen. Als Maßnahmen zur Verbesserung der JAZ nannte Zipfer den Verzicht auf einen Pufferspeicher bei Fußbodenheizung, der mit einer Verbesserung der JAZ von 0,1 bis 0,2 zu Buche schlägt. In der Schweiz werden in diesem Fall etwa 0,4 JAZ-Punkte gutgeschrieben.

Aus Sicht der Gruppe „Energie Lahr“ besteht derzeit kein Anlass, aus Klimaschutzgründen die Luft/Wasser-Wärmepumpe zu empfehlen und schon gar nicht mit öffentlichen Mitteln zu fördern. An die Adresse von Wärmepumpen-Herstellern und Fachhandwerkern richtete Zipfer den Appell, mehr als bisher auf die Effizienz von Komponenten zu achten und die Systemtechnik zu optimieren.

Im Auftrag der lokalen Agenda 21 – Gruppe Lahr – und der Ortenauer Energieagentur Offenburg hat das Steinbeis-Transferzentrum Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg, drei der gemessenen Luft-Wasser-Wärmepumpen auf Schwachstellen untersucht und Verbesserungspotenziale aufgezeigt¹⁾.

16 Bundesländer – 15 Leitfäden

Mit welchen Fallstricken bei geothermischen Wärmepumpenanlagen gerechnet werden muss, verdeutlichte der Vortrag von Dr. Erich Mands, Fa. Umwelt Baugrund Geothermie Geotechnik, Wetzlar. Da Wasser- und Grundwasserschutz Landessache sei, gebe es in fast jedem Bundesland einen separaten Leitfaden für die oberflächennahe Geothermie²⁾. Erschwerend käme hinzu, dass es sich bei den Leitfäden nur um Empfehlungen handele, sodass örtlich mit einem hohen Interpretationsspielraum bei den Genehmigungsbehörden zu rechnen sei.

Allgemein würden die behördlichen Anforderungen und Vorgaben der Genehmigungsstellen an Geothermie-Wärmepumpenanlagen steigen, auch wenn die Hintergründe nicht immer nachvollziehbar seien, berichtet Mands.

So schreibe Hamburg einen Vereisungsschutz für Erdwärmesonden vor, der die Wärmepumpe bei Unterschreiten von 1 °C im Sondenkreislauf abschaltet. Bei einem geplanten Projekt mit 22 Wohneinheiten bedeute dies eine Verdoppelung der Erdsonden(länge), womit die Wirtschaftlichkeit des Projekts infrage gestellt war, beklagt Mands diese Entwicklung und nennt weitere Kosten treibende Beispiele: In Berlin wurde für eine 30-kW-Geothermie-Wärmepumpe ein geothermischer Responsetest vorgeschrieben; Kosten für die vorgegebenen Untersuchungen und Modellierung der Ergebnisse: 40000 bis 50000 Euro.

In Hessen forderten Mitarbeiter einer Wasserbehörde, dass eine Wärmepumpenanlage nur mit Ökostrom betrieben werden darf. In Baden-Württem­berg wurde die Begrenzung der Bohrtiefe bei 140 m damit begründet, dass die Erdwärmesonde nur bis 14 bar druckdicht sei. Auch sei der Einsatz von Frostschutzmitteln im Sondenkreislauf in Baden-Württemberg nicht (mehr) erlaubt, wenn die Anlage in einem Wasserschutzgebiet liegt. In Schleswig-Holstein werde der Bau von Erdsonden-Anlagen durch die Vorgabe, mindestens 6 m Abstand zur Grundstücksgrenze und zum nächsten Bohrloch, bei verdichteter Bebauung praktisch unmöglich gemacht, beklagt Mands.

Bierdeckel oder Topfuntersetzer?

Nicht nachvollziehbar seien auch die landesspezifischen Vorgaben über Mindest-Bohrdurchmesser. Sie liegen in Baden-Württemberg bei 120 mm für die 32er- bzw. 140 mm für die 40er-Sonde, in Bayern bei 152 mm, in Nordrhein-Westfalen bei 110 mm und in Schleswig-Holstein bei 180 mm. Die Stadt Stuttgart nehme es besonders genau und schreibe 200 mm vor. Im Gegensatz dazu fordern Geologen möglichst kleine Bohrdurchmesser, da damit bei gleicher Bohrtiefe eine höhere Wärmeübertragung erreicht werde, erläutert Mands.

Ebenso sei es im reinen Heizfall effektiver, eine tiefe statt zwei flache Erdwärmesonden zu installieren. Doch nicht nur die Behörden, auch die Branche selbst trage durch unseriöse Angaben zur Verunsicherung bei. So gebe es Hersteller von Erdwärmesonden, die eine Entzugsleistung von 140 W/m und mehr versprechen – üblich sind 50 W/m. Wolle man Kühlsolen in den Erd­wärmesonden vermeiden, wie in Wasserschutz­gebieten, könne man allenfalls mit 30 W/m Entzugsleistung rechnen.

Aus Sicht von Erich Mands wird die zu­nehmende Reglementierung bei der oberflächennahen Geothermie zu nicht unerheblichen Kostensteigerungen führen, was mittelfristig die weniger energieeffiziente Luft/Wasser-Wärmepumpe begünstige.

Für Dr. Christian Trapp, Diplom-Geologe beim Regierungspräsidium Freiburg, sind die strengeren Auflagen der Wasserbehörden eine Reaktion auf die oft schlechte Bohrqualität und den leicht­fertigen Umgang mit Schadensfällen. Typisch sei, defekte Bohrungen nicht zu melden, sondern einfach zuzuschütten und an anderer Stelle nochmals zu bohren. Auch sei nicht geklärt, wer für unprofessionelle Bohrungen und undichte Sonden in Wasserschutzgebieten hafte. Problematisch seien insbesondere die Inhibitoren in Soleflüssigkeiten zur Vermeidung von Korrosion. Trapp bekräftigte, dass der Schutz des Grundwassers über dem ­Klimaschutz stehe.

Herausforderung: Low-Exergie

Die Vorteile eines geothermischen Heiz- und Kühlsystems kommen dann voll zum Tragen, wenn auch die Wärme- und Kälteverteilung auf möglichst geringe Temperaturdifferenzen zwischen Vor- und Rücklauf abgestimmt sind. Bei dem von Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, Hochschule Biberach, vorgestellten Neubau der Gebhard-Müller-Schule im Kreisberufszentrum Biberach wurden nicht nur Grundwasser-Wärmepumpe und thermoaktives Bauteilsystem aufeinander abgestimmt, sondern auch die Lüftung mit Wärmerückgewinnung auf Low-Exergie-Standard ausgelegt.

Trotz sehr sorgfältiger Planung auf 3-Liter-Standard zeigten sich im laufenden Betrieb jedoch signifikante Abweichungen von den geplanten Zielwerten, die sowohl auf Fehler in der Planung und der Ausführung, aber auch auf regelungstechnische Unschärfen zurückzuführen sind. Allgemeine Erkenntnis: Standard-Komponenten eignen sich nicht unbedingt für Gebäude mit extrem niedrigem Energiebedarf. Auch das Regelungskonzept muss höheren Anforderungen genügen, da das Temperaturniveau der Heiz- und Kühlmedien generell sehr niedrig liegt und im Regelprozess sehr geringe Spreizungen zu bewerkstelligen sind.

Trotz sorgfältiger Planung und kritischer Auswahl der Komponenten kam es zu überraschenden Erkenntnissen, z.B. dass manche als energiesparend geltende Frequenzumformer hohe Stand-by-Verluste verursachen oder dass Wärmepumpen bei Stillstand elektrisch beheizt werden müssen, damit die Kältemittelverdichter beim Wiederanlaufen (Neustart) nicht beschädigt werden.

Die energetische Herausforderung von Gebäuden der 3-Liter-Klasse liegt aber im Betrieb, der im Grunde genommen mit den heute zur Verfügung stehenden Regelungssystemen einer permanenten Inbetriebnahme gleichkommt. Wer sich mit einer Standard-Inbetriebnahme begnügt, muss damit rechnen, dass sich die Mehrinvestitionen in bauliche und anlagentechnische Energieeffizienz­maßnahmen erst nach rund 20 Jahren rechnen. In der Gebhard-Müller-Schule gelang es dem Team um Prof. Koenigsdorff, dieses eher ernüchternde Ergebnis durch ein wissenschaftlich begleitetes Monitoring und anschließende Optimierung auf unter zehn Jahre Amortisationszeit zu senken (siehe auch Interview auf Seite 34).

Fazit

Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen sind eine sinnvolle und wirtschaftliche Möglichkeit zur Einsparung von Energie und zum Klimaschutz. ­Voraussetzung ist allerdings, dass solche An-lagen exakt(er) geplant, solide ausgeführt und sorgfältig betrieben werden. Vertreter der tan­gierten Ministerien in Baden-Württemberg haben angekündigt, künftig am Bohrloch genauer hin­zuschauen, um das Grundwasser vor unquali­fizierten Ausführungen zu schützen. Allerdings müssten auch die Hersteller von Wärmepumpen mehr zur Qualitätssicherung am Bau beitragen. Strengere Auflagen rund ums Bohrloch führen ­jedoch auch zu Kostensteigerungen, die un­weigerlich die Amortisationszeit erdgekoppelter Wärmepumpen erhöhen. Dies werde mittelfristig die Luft/Wasser-Wärmepumpe begünstigen, die jedoch im eingebautem Zustand über­zeugende Jahresarbeitszahlen erst noch beweisen muss.

¹⁾ Der Ergebnisbericht vom 24. Juni 2008 steht als PDF-Download auf https://stz-euro.de

²⁾ Die Leitfäden stehen gesammelt auf der Internetseite der Geothermischen Vereinigung – Bundesverband Geothermie ( http://www.geothermie.de ) in der Rubrik „Wissenswelt“ Menüpunkt „Gesetze, Verordnungen, Recht“.

Geothermie ohne Wärmepumpe war das Thema eines Vortrags von Volker Liebel, Rehau, mit Details über Technik und Betriebserfahrungen mit Luft/Erdreich-Wärmeübertragern. Als Vorwärmer bzw. Vorkühler von Lüftungssystemen habe die geothermische Lufttemperierung inzwischen den Nachweis erbracht, dass damit ganz erheblich Wärme- und Kälteenergie eingespart werden kann, so Volker Liebel. Im Winter könne die Zuluft um rund 14 K auf Temperaturen über 0 °C vorgewärmt werden, im Sommer sei eine Abkühlung um etwa 14 K auf maximal 16 °C möglich. Die geothermische Lufttemperierung sei das einfachste Mittel, um beispielsweise der bei Wohnungslüftungssystemen typischen Vereisung des Wärmerückgewinners vorzubeugen.

Inzwischen gebe es gesicherte Informationen über das Energieeinsparpotenzial erdverlegter Wärmeübertragungsrohre. In einem polnischen Supermarkt betrage die Heizenergieeinsparung durch den Luft/Erdreich-Wärmeübertrager beispielsweise 50 % gegenüber einem konventionell ausgestatteten Markt. Simulationsberechnungen auf der Basis des TRNSYS-Programms hätten ergeben, dass bei einem Gebäude der Größe 33,5 × 13,4 × 13,4 m in der Klimazone Toronto/Kanada mittels Luft/Erdreich-Wärmeübertrager rund 29 % Heizenergie und 95 % der Kühlenergie eingespart werden könne.

„Das Energieeinsparpotenzial von Luft/Erdreich-Wärmeübertragern wird zu unrecht unterschätzt“, bedauert Liebel. So könnten bei gleicher abgegebener Kälteleistung durch den Einsatz von Luft-Erdregistern die Investitionskosten bei Klimaanlagen um rund 30 % gesenkt werden. Das schlechte Image der Luft/Erdkollektoren komme daher, dass in der Vergangenheit meist einfache PVC-Kanalrohre mit Schaumkern, Wellrohre oder Betonrohre ohne ausreichende Kondensatableitung verwendet wurden. Wichtig seien glatte Rohre wie beispielsweise das Awadukt-Thermorohr mit antibakterieller Aus­rüstung von Rehau.

Dass die Branche zu Luft/Erdreich-Wärmeübertragern durchaus eine geteilte Meinung hat, zeigte die Diskussion. So hieß es, die von Rehau vorgelegten Einsparungen seien „schön gerechnet“. Auch werde das Thema Kondensation und Gefälle im Erdregister und damit auch die Lufthygiene unterschätzt, besonders bei größeren Systemen.

ist Freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, E-Mail: wsm@tele2.de