Das Interesse am Zukunftsthema Geothermie ist rasant gestiegen. Allem Anschein nach nimmt dabei das Land Baden-Württemberg in der Geothermie eine Vorreiterrolle ein, ähnlich wie die Nordsee-Anrainer bei der Windenergienutzung. Dies bestätigte auch Tanja Gönner, Umweltministerin von Baden-Württemberg, bei der Eröffnung der 1. Geotherm in Offenburg „Etwa ein Drittel unserer Landesfläche kommt für eine geothermische Nutzung in Frage“, so die Ministerin. „Angesichts hoher Energiepreise amortisieren sich die anfänglich höheren Investitionskosten in zunehmend kürzerer Zeit“, betont Gönner.
Trotz der Probleme beim Basler Tiefengeothermieprojekt solle die Erdwärmenutzung in Baden-Württemberg zügig ausgebaut werden. Bei der Tiefengeothermie wolle man die Erkenntnisse der Bohrungen in Basel auswerten und die Übertragung auf anstehende Projekte in Baden-Württemberg prüfen. Wichtig sei die umfassende Information der Bevölkerung über Chancen und Risiken im Vorfeld der Tiefenbohrungen. Da es sich bei der Tiefengeothermie noch um Pilotprojekte handele, müsse auch mit Rückschlägen gerechnet werden.
Dr.-Ing. Horst Kreuter von der Geothermal Engineering GmbH, Karlsruhe, schätzt das technische Potenzial der geothermischen Stromerzeugung in Deutschland auf 50 % des derzeitigen Strombedarfs ein und stützt sich dabei auf die sogenannte TAB-Studie des Büros für Technikfolgenabschätzung (TAB) des Deutschen Bundestages. Wegen der in Deutschland vergleichsweise geringen Erdreichtemperaturen von maximal 200 °C müssten allerdings spezielle Verfahren der Niedertemperatur-Stromerzeugung entwickelt bzw. optimiert werden. Damit könne sich Deutschland weltweit an die Spitze der technischen Entwicklung setzen, so Kreuter. Limitierender Faktor sei der Mangel an Bohrgeräten für die Tiefengeothermie, da es sich um die gleichen Bohrgräte wie für die Erdölerschließung handele.
Die Kernaussagen der TAB-Studie sind eindeutig: Das Wärmepotenzial bis in eine Tiefe von 7000 m reiche aus, mehr als das 600-fache des deutschen Jahresstromverbrauchs zu decken. Bei gleichzeitiger Nutzung der Abwärme könne noch einmal das 350-fache des jährlichen Wärmebedarfs gedeckt werden, so die Theorie.
Bohren im Dunkeln
Während in der Tiefengeothermie noch mit großer Sorgfalt unter Berücksichtigung aller verfügbaren hydrogeologischen Daten vorgegangen wird, scheint bei der oberflächennahen Geothermie der Rat geologischer Landesämter bisher nur in Ausnahmefällen gefragt zu sein. Dr. Sven Rumohr vom Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie bemängelt, dass viele Erdwärmesonden in Hessen nur anhand von Faustwerten ohne Berücksichtigung standörtlicher geologischer Verhältnisse dimensioniert werden. Die meisten Planer und Anlagenbauer gingen von einer Wärmeentzugsleistung von 50 W/m (Sondenmeter) aus, obwohl die geologisch dokumentierten Entzugsleistungen in Hessen eine Bandbreite von 40 bis 100 Watt/m abdecken. Für eine Technik, die nach Einschätzung vieler Fachleute zukünftig eine der wichtigsten Energiequellen für die Beheizung von Wohnhäusern sein wird, sei diese Situation nicht haltbar.
Rumohr plädiert dafür, die bei den staatlichen geologischen Diensten vorhandenen Daten den Planern, Bohrfirmen und letztendlich auch den Bürgern besser verfügbar zu machen und diese unbürokratisch bereitzustellen. Im Gegenzug müssten die Bohrfirmen ihre Bohrungen regelkonform dokumentieren und die Schichtenverzeichnisse an die geologischen Landesämter zurückmelden. Jede Bohrung sei eine neue Aufschlussbohrung, die Daten über die geologische Zusammensetzung des Untergrunds liefert, betont Rumohr.
Im Übrigen seien die Bohrunternehmen verpflichtet, Schichtenverzeichnisse anzulegen und diese an die staatlichen Stellen zu melden. Was sich auf dem Markt für Sondenbohrungen derzeit abspiele, stimme leider in vielfacher Hinsicht nicht mit den Vorgaben der VDI 46401) überein. Gemacht wird das, was am schnellsten geht, so ein Diskussionsbeitrag. Durch die Deregulierung in der Überwachung von Bauvorschriften habe man nun das Nachsehen. Die aktuelle Entwicklung gehe eindeutig zu Lasten der Bauherren, so der Tenor der Diskussion.
Reihenhauszeilen genau berechnen
Auch Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff von der Hochschule Biberach warnte vor einem zu pauschalen, nicht abgesicherten Vorgehen bei der Auslegung und Berechnung von Erdwärmesonden (siehe auch Interview auf Seite 35). Bei falscher Auslegung kühle das Erdreich im reinen Heizbetrieb aus und die Wärmeentzugsleistung lasse nach. Spätestens wenn in der Nachbarschaft einer Geothermieanlage weitere Anlagen entstehen, müssten Erdsonden und die Bewirtschaftung des Untergrunds sehr sorgfältig berechnet werden. Dies gelte insbesondere für Reihenhauszeilen und für den Siedlungsbau, wenn die Baugebiete komplett für geothermische Heizsysteme erschlossen werden.
Koenigsdorff warnte davor, die geothermischen Einflusseffekte durch Nachbaranlagen über einen längeren Zeitraum zu unterschätzen. Eine zu hohe Entzugsleistung könne sich manchmal erst nach einem Jahrzehnt bemerkbar machen. Besser sei eine korrekte Auslegung der Erdsondenanlage nach den realen geologischen Verhältnissen auf der Basis der VDI 4640 oder mit detaillierteren Auslegungs- und Berechnungsverfahren.
Die Verknüpfung von Wärmequelle/Wärmesenke, Wärmepumpe sowie Heiz- bzw. Kühlsystem sei eine wichtige Planungsaufgabe, denn nur so könnten Optimierungspotenziale erschlossen werden. Insbesondere gelte es, den Aufwand für Hilfsenergien, wie Solepumpe, aber auch von Stand-by-Verbrauchern im Schaltschrank, genauer unter die Lupe zu nehmen. Manch einem Bauherren habe eine falsch betriebene Solepumpe schon die Energiebilanz seiner Anlage verhagelt, so Koenigsdorff. Durch eine optimale Abstimmung von Erdsondenanlage, Sondenpumpe und Wärmepumpe ließe sich die Energieeffizienz zwischen 5 und 10 % steigern.
Auch Dr. Bernd Wenzel von den Viessmann-Werken, Allendorf, plädierte dafür, Durchflussströme von Wärmepumpen stärker zu beachten und Heizsysteme mit möglichst geringem Temperaturniveau einzuplanen. Radiatorenheizungen seien für geothermische Wärmepumpenanlagen eher ungeeignet. Ein wichtiger und spannender Aspekt der geothermischen Wärmepumpenheizung sei die Möglichkeit, über die Sonden auch zu kühlen, entweder als Naturalkühlung über den Sondenkreislauf oder als „active cooling“ über eine reversible Wärmepumpe.
Wenzel empfiehlt in diesem Falle als Heiz-Kühl-System sogenannte Fan-Coils einzubauen, da sich eine Fußbodenheizung nicht zum Kühlen im Wohnbereich eigne. Die Kühlfunktion hätte außerdem den Vorteil, dass sich das Erdreich schneller regeneriere und zu Beginn der Heizsaison sogar eine höhere Erdtemperatur zur Verfügung stehe. Außerdem sei die Cooling-Funktion sehr preiswert, da meist nur Pumpenenergie gebraucht werde.
Gütesiegel für Erdwärmesonden
Der stark expandierende Absatz geothermischer Wärmepumpen sprengt naturgemäß die Kapazität der klassischen Bohr- und Brunnenbauunternehmen. Qualitätssicherung sowie die Zusammenarbeit mit den geologischen Landesämtern gehört in dieser Branche nach Auskunft von Christian Fleissner vom Bohrunternehmen Terrasound, Günzburg, zum Berufsethos. Der für die Bohrbranche fast explosionsartige Zuwachs an Bohraufträgen habe zu einem vermehrten Einstieg fachfremder Firmen aus der Wärmepumpenbranche wie auch aus dem HLK-Bereich geführt, die sich aus einer Unkenntnis heraus oder aus Termindruck nicht an die üblichen geologischen Procedere halten.
So würden behördliche geforderte Bohranzeigen ignoriert, Schichtenverzeichnisse nicht gemeldet und Verfüllungen oft nicht immer dem geologischen Untergrund entsprechend ausgeführt werden. Vielfach würden geologische Landesämter und Behörden als „Gegner“ und nicht als Partner angesehen werden. Wegen der nicht ausreichenden Erfahrungen vieler Seiteneinsteiger müssten Bauherren mit höheren Kosten durch Sicherheitszuschläge bei den Sondenmetern rechnen. Fleissner empfiehlt, die VDI 4640 als Berechnungsgrundlage für Anlagen bis 30 kW sowie die Durchführung der Bohrarbeiten durch einen zertifizierten Geräteführer nach DIN 40212). In jedem Fall sollte der Bohrauftrag auf der Basis des Gütesiegels für Erdwärmesonden nach DVGW-Arbeitsblatt W 1203) durchgeführt werden.
Ähnlich kritisch zum Hype bei den Erdwärmesonden-gestützten Wärmepumpen äußerte sich auch Dr. Ralf Schramedei von den Stadtwerken Düsseldorf. Wegen der knappen Bohrkapazitäten seien die Bohrkosten in die Höhe geschossen. Derzeit werde qualifiziertes Bohrpersonal in vierstelliger Größenordnung gesucht. Monatlich würden zurzeit in Deutschland rund 2000 neue Geothermie-Wärmepumpenanlagen installiert, der Bestand liege bereits bei rund 100000 Anlagen. Marktforscher gingen – allein für Deutschland – von einem jährlichen Potenzial von 700000 Wärmepumpen aus.
Der Kunde solle unbedingt darauf achten, dass die Anlagen bei der gegenwärtigen Überhitzung von seriösen Unternehmen entsprechend dem Stand der Technik und auf der Basis des Gütesiegels Erdwärmesonden errichtet werden. Durch neue Verfüllmaterialien sowie eine optimale Abstimmung von Sonde, Wärmepumpe und Heizsystem könne die Gesamteffizienz der Systeme bedeutend gesteigert werden.
Bauaustrocknung mit Wärmepumpe vermeiden
Vor einer allzu großen Wärmepumpen-Euphorie warnte auch Harald Höflich vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg. So koste eine erdgekoppelte Wärmepumpe deutlich mehr als eine konventionelle Heizung. Wärmepumpe, Gebäude und Heiz-Kühlsystem müssten gut zueinander passen, sonst würde sich womöglich ein höherer Primärenergieverbrauch einstellen als bei einer Öl- oder Gasheizung. Insbesondere gelte es, auch den Stromverbrauch der Nebenantriebe, und hier insbesondere der Solepumpe, in der Energiebilanz zu berücksichtigen.
Höflich ermuntert, die Sondenbohrungen nicht unbedingt bei 99 m zu stoppen, sondern je nach geologischen Gegebenheiten auch tiefer zu bohren. Seine Empfehlung: Nicht an Bohrmetern sparen sowie die Anlage möglichst ohne Glykol frostfrei betreiben. Er warnte davor, die geothermische Wärmepumpe für die Bauaustrocknung einzusetzen, da man damit eine Wärmepumpe kaputtfahre. Die einfachste Regeneration des Erdreichs werde dadurch erreicht, dass man im Sommer über die Sonden auch kühlt.
Sensationelle JAZ durch Geocooling
Am Beispiel von Dock Midfield, dem neuen Terminal E des Flughafens Zürich, zeigte Prof. Markus Hubbach von der Fachhochschule Wädenswil/Schweiz, welches enorme Einsparpotenzial durch geothermische Heiz-/Kühlsysteme möglich sind. So wird der Wärmebedarf des 500 m langen Terminals zu mehr als 70 % über eine geothermisch gestützte Wärmepumpe mit 630 kW Nutzwärme gedeckt, die auch als Kältemaschine fungiert.
Energieabfuhr und Energieaufnahme erfolgen über 306 Energiepfähle, die 30 m tief ins Erdreich geteuft sind und gleichzeitig als Gründungspfähle dienen. Die Besonderheit des Projekts ist die unmittelbare Nutzung des kalten Endes der Wärmepumpe zu Kühlzwecken sowie die Einbindung der Umluftkühlung direkt in den Kreislauf der Energiepfähle. Dieses Geocooling – also ohne den Einsatz der Wärmepumpe als Kältemaschine – erreicht eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 44, d.h. mit 1 kWh Pumpenstrom werden 44 kWh Kälte aus dem Erdreich für die Klimaanlagen bereitgestellt.
Durch eine Modifizierung der Pumpen – sie sind aus Unsicherheit und einem hohen Sicherheitsbedürfnis zu groß ausgelegt – soll eine Jahresarbeitszahl von sensationellen 60 möglich sein. Hubbach räumte aber ein, dass die Optimierung der Anlage ein mehrjähriger Prozess sein wird. Wichtig sei ein Erdreichmanagement, um die Temperaturaufnahme und Temperaturabgabe an das Erdreich zu optimieren bzw. in Balance zu halten. Auch die Systemarbeitszahl des Wärmepumpensystems könne durch einen besseren thermischen Abgleich von derzeit 4,9 auf den Zielwert 5,4 noch verbessert werden.
Eine gewisse Vorsicht sei bei der direkten Abführung der Abwärme aus der Kältemaschine ins Erdreich geboten: Die vergleichsweise hohen Rückkühltemperaturen können das Rohrmaterial der Erdpfähle schädigen, wenn man das höhere Temperaturniveau nicht berücksichtige. Aus wirtschaftlicher Sicht sei das Geocooling-Projekt jetzt schon ein voller Erfolg: Die Rückzahldauer der Mehrinvestitionen von etwas mehr als 1 Mio. CHF gegenüber einem konventionellen System würde nur sechs Jahre betragen.
Edeka-Markt spart 30000 l Heizöl
Welches Entwicklungspotenzial die Geothermie außerhalb der Hausheizung und der Büroklimatisierung noch bietet, verdeutlicht der mit dem Umweltpreis des Landes Baden-Württemberg ausgezeichnete Edeka-Markt im schwäbischen Schömberg. Das von Zent-Frenger, Heppenheim, entwickelte geothermische Kälte-Klima-Heizkonzept basiert auf einer erdgekoppelten Kälte-Wärmepumpen-Zentrale, die sowohl Tiefkälte für die Gefrierkost und Normalkälte für die Frischekühlung als auch Klimakälte, Niedertemperatur-Heizwärme und Hochtemperatur-Heizwasser zur Trinkwassererwärmung auskoppeln kann, auch gleichzeitig.
Durch das prozessorientierte Vernetzungskonzept ist es möglich, den 1700m² großen Lebensmittelmarkt zu 84 % der Jahresnutzungszeit mit der Abwärme aus der Lebensmittelkühlung zu heizen. Ein wichtiger Nebenaspekt der geothermischen Kopplung ist die höhere Leistungszahl der Kältekreise (+40 %) durch das tiefere Temperaturniveau auf der Rückkühlseite. Da auch die Drücke im Kältekreislauf im Vergleich zu herkömmlichen Kälteanlagen niedriger sind, ist die Schallemission der Verdichter geringer, was auch zu einer längeren Lebensdauer führt. Durch den Verzicht auf einen klassischen Heizkessel, die Nutzung von Abwärme aus der Kälteerzeugung sowie die Wärmepumpenfunktion in der Geozent-Energiezentrale spart der Betreiber jährlich rund 30000 l Heizöl.
Fazit
Die oberflächennahe Geothermie wächst schneller als Bohrkapazitäten zur Verfügung stehen und sich sowohl Planer als auch Bohrunternehmen das entsprechende Know-how aneignen können. Marktkenner gehen bereits von einer Überhitzung aus und warnen vor unsachgemäßen Planungen und Ausführungen. Eine gute Orientierung für die Planung kleiner Anlagen bieten die VDI 4640 und das Gütesiegel Erdwärmesonden. Bei Großanlagen kommt man nicht umhin, Simulationsspezialisten bzw. HLK-Firmen mit Geothermieerfahrung mit einzubeziehen. Eine gute Wissensbasis über Geothermie vermitteln die zahlreichen Geothermie-Broschüren des Landes Baden-Württemberg, das derzeit eine Vorreiterrolle in der Erschließung und Nutzung der Geothermie einnimmt.
Die nächste Geotherm findet am 28. und 29. Februar 2008 in Offenburg statt.
Wolfgang Schmid, Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, E-Mail: wsm@netsurf.de
1) VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrundes, Blatt 1 bis 4
2) DIN 4021 Baugrund; Aufschluß durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben, in Erkundung und Untersuchung des Baugrunds (zurückgezogen im Januar 2007, Ersatz: DIN EN ISO 22475-1 Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Probenentnahmeverfahren und Grundwassermessungen – Teil 1: Technische Grundlagen der Ausführung, Januar 2007)
3) DVGW-Arbeitsblatt W 120 Qualifikationsanforderungen für die Bereiche Bohrtechnik, Brunnenbau und Brunnenregenerierung
Geothermie-Kennwerte
Das Land Baden-Württemberg hat zwischen dem 1. April und dem 31. Dezember 2005 etwa 1450 Erdwärmesondenanlagen in Verbindung mit Wärmepumpen in kleinen privaten Wohngebäuden gefördert. Dazu wurden vom Umweltministerium Baden-Württemberg rund 3,7 Mio. Euro bereitgestellt. Der Zuschuss belief sich auf 14 Euro/m (Sondenlänge). Aus diesem Förderprogramm liegen zahlreiche statistisch gesicherte Daten über die geförderten Gebäude und Anlagen vor, z.B. Baujahr, Wohnfläche, Heizenergiebedarf, Sondenanzahl, Sondentiefe, Heizleistung der Wärmepumpe, Investition in Bohrung, Sonden und Wärmepumpe vor. Die Daten mit entsprechenden Wertepaaren sind abrufbar über http://www.erdwaerme.baden-wuerttemberg.de. Auszüge:
• Brutto-Investition in Bohrung und Sonden: 58 Euro/m × Bohrmeter + 900 Euro
• Brutto-Investition in WP inkl. Einbindung und Regelung: 3790 Euro × (WP-Heizleistung in kW)0,48
• Brutto-Investition über Wohnfläche: (73 Euro/m2 × Wohnfläche) + 9700 Euro
Trotz des großen Zuspruchs und der umfassenden Datenbasis zeigte das Förderprogramm aber auch die Probleme des aktuellen Erdwärmebooms auf: Bei 50 % der Anträge ignorierten die Bohrfirmen die Rückgabe der in den Förderbedingungen festgelegten Dokumentation der Bohrsonden und des Schichtenverzeichnisses.
Die Diskussion während des Geothermie-Kongresses um den Erdsonden-Leitfaden spülte das Problem der viel gepriesenen Deregulierung bei den Bauverwaltungen dann nach oben: Beim Bau von Erdwärmesonden werde geschlampt, da nicht mehr kontrolliert wird. Und: Das Risiko der Vereisung der Sonden werde unterschätzt; der Betreiber könne das nicht kontrollieren, da nicht sichtbar. Viele Verpressmaterialien würden nach mehrmaliger Frostung zerbröseln und damit ihre Aufgabe als Grundwassersperrschicht und Wärmeleiter zwischen Sonden und Erdreich verlieren.
Weitere Informationen:
• Broschüre Energiesparen durch Wärmepumpenanlagen: http://www.wm.baden-wuerttemberg.de
• Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme und Erdwärmesonden: poststelle@uvm.bwl.de
• Wärmepumpen-Checkliste: http://www.energie-aber-wie.de
