Offensive gegen Schludrigkeiten

Wärmepumpenanlagen mit einer geothermischen Energiequelle stehen bei Bauherren und Investoren hoch im Kurs. Nach Schätzungen der Geothermischen Vereinigung – Bundesverband Geothermie e.V. (Gtv-BV) sind in Deutschland in der oberflächennahen Geothermie bereits über 100000 Anlagen installiert. Noch bei der ersten Geotherm vor einem Jahr klagte die ­Geothermie-Branche über eine nicht ausreichende Kapazität bei den Bohrfirmen. Auch in diesem Jahr ist die Branche unzufrieden, allerdings, weil sich inzwischen zu viele und nicht immer seriöse Bohrfirmen auf dem expandierenden Markt ­tummeln.

Klaus Huwig von der Karo-San pro Umwelt GmbH, Illingen, einer der wenigen Anbieter ganzheitlicher Geothermiekonzepte, sieht den Markt für Erdsondenbohrungen deshalb zwiespältig: „Durch den Einstieg von Fachfremden in das Bohrgeschäft fallen die Preise für Sondenbohrungen, aber leider auch die Qualität. Wir stellen fest, dass Bohrlöcher oft nur zum Teil und dazu noch mit schlechtem Material verfüllt werden.“ Ein großes Problem sei der vorherrschende Gewerkeegoismus, das heißt, jeder denke und plane nur innerhalb der klassischen Gewerkegrenzen und kümmere sich nicht um eine gesamthafte Optimierung der Anlage, wie sie bei einem geothermischen Wärmepumpensystem notwendig wäre. Karo-San verfolge von Anfang an ein ganzheitliches Konzept, das bei der genauen geologischen Vorbereitung des Bohrloches beginne und bis zum Wärmepumpengeeigneten Heizsystem reiche.

Durch die gewerkeübergreifende Optimierung könne man unnötige Bohrmeter einsparen und dennoch eine hohe Gesamtleistungszahl erreichen. Wichtig sei eine hohlraumfreie Verfüllung des Bohrlochs mit Verfüllmaterialien, die einen optimalen Wärmetransport zwischen Sonde und Erdreich gewährleisten. Versuche mit Abstandshaltern bei Doppelrohrsonden hätten gezeigt, dass dadurch größere Temperaturdifferenzen erreicht werden können, was wiederum die Leistungszahl der Wärmepumpe verbessere. Oft werde aus Unkenntnis der Sachlage am falschen Ende gespart. Insbesondere TGA- bzw. Haustechnikplanern mangele es an geothermischem Know-how, was die Anlagen dann verteuere. Wichtig sei die Qualitätssicherung am Bohrloch. „Das kostet dann zwar 400 bis 500 Euro mehr, garantiert aber eine hohe Effizienz über die Lebenszeit der Sonde“, so Huwig. Immerhin wird die Lebensdauer einer Sonde – je nach verwendetem Kunststoff, Sondenausführung und Qualität der Verfüllung – auf 50 bis 100 Jahre eingeschätzt, war an anderer Stelle der Kongressveranstaltung zu hören.

Schwarze Schafe

Ähnlich äußerte sich auch Peter Früh, zu­ständig für den Vertrieb Süddeutschland der ­Amasond Vertriebs GmbH, Dornbirn/Österreich: „Leider haben wir es in der oberflächennahen ­Geothermie mit einigen schwarzen Schafen zu tun, insbesondere beim Bohren, beim Sonden­einbau und beim Verfüllen des Bohrloches.“ Auch sei das Effizienzbewusstsein bei vielen Bauherren noch nicht sehr ausgeprägt. Hauptsache weg von Öl und Gas, sei eine gängige Einstellung, so Früh. „Die Leute sind mit ihrer geothermischen Wärmepumpe zufrieden, solange die Stromkosten für die Heizung unterhalb der von Heizöl oder Erdgas liegen.“

Amasond stellte in Offenburg ein modular aufgebautes Koaxial-Sondensystem vor, das horizontal, vertikal, kombiniert horizontal-vertikal und in Schrägbohrung eingesetzt werden kann. Damit könnten insbesondere bei bestehenden Gebäuden die oftmals für die Geothermienutzung eingeschränkten Freiflächen besser genutzt werden, erklärt Früh. Wesentlicher Unterschied zu den gängigen U-Rohr-Sonden sei das gewellte Sondenrohr. Dadurch vergrößere sich die Wärmeübertragungsfläche um bis zu 30 %, womit geringere Bohrtiefen bei kleineren Bohrlochdurchmessern möglich seien.

Das modulare Stecksystem mit metalldichtenden Verbindungen (eine Entwicklung aus dem ­Bereich Turbolader für Kfz) soll zudem in den ­Verbaukosten gegenüber konventionellen Erd­sonden rund 50 % günstiger sein. Wegen der ­höheren Wärmeübertragungsfläche reiche es oftmals aus, nur bis in eine Tiefe von 40 m zu bohren. Dadurch könne auch leichteres Bohrgerät ein­gesetzt werden, was den Einsatz der Wellrohr-Sonde im Sanierungsmarkt begünstige. Auch sei bei kürzeren Bohrungen das Risiko einer Fehlbohrung geringer. Das Sondensystem eigne sich auch für Schrägbohrverfahren, wie sie beispielsweise Tracto Technik anbietet. Damit könne man sogar das Erdreich unter bestehenden Häusern oder versiegelten Oberflächen geothermisch erschließen, erklärt Früh.

Mangelndes Qualitätsbewusstsein

Auch bei Heidelberg Cement beobachtet man das oftmals fehlende Qualitätsbewusstsein am Bohrloch, sieht aber die Ursachen dafür zum Teil in technisch überholten Normen bzw. VDI-Richtlinien. Die darin enthaltenen Interpretationsspielräume würden zum Beispiel auch weniger effiziente Verfüllverfahren zulassen. Die Sorgfalt bei der Bohrlochverfüllung sei jedoch entscheidend für die Langzeiteffizienz einer geothermischen Wärmepumpenanlage. Leider gäbe es Fälle, bei denen Bohrlöcher gar nicht verfüllt würden. Wörtlich: „Wir kennen Projekte, da steht die Sonde im trockenen Bohrloch“, war auf dem Stand zu hören. Und weiter: „Es gibt Bohrfirmen mit der Einstellung, dass sich das Bohrloch mit der Zeit selbst verfüllt. Oft wird auch minderwertiger Bohrauswurf dazu benutzt, die oberen fünf Meter – zumindest optisch – zu verfüllen.“

Wegen einiger extremer Fälle von Missachtung grundsätzlicher Regeln, insbesondere der VDI 4640, würden in manchen Regionen neuerdings die kommunalen Genehmigungsbehörden bei Geothermiebohrungen genauer hinsehen. So gäbe es Sondenbohrungen mit schlecht oder gar nicht verfüllten Bohrlöchern, die mehrere Grundwasserleiter miteinander verbunden hätten. Besonders gravierend sei die Situation, wenn so genannte Arteser, also unter Druck stehende Grundwasserleiter, angebohrt und nicht sachgemäß abgedichtet werden. Dies könne zu Senkungen im Erdreich führen und damit auch zu Rissbildungen an Gebäuden (siehe auch Infokasten „Schäden an 50 Häusern“).

Wärmepumpendoktor als Schlichter

Nichts fürchtet die Wärmepumpenbranche derzeit mehr als eine negative Mundpropaganda in Verbraucherkreisen. Offensichtlich besteht inzwischen genügend Anlass, für Streitfälle eine offizielle An­laufstelle einzurichten, die sowohl Wärmepumpennutzern als auch Marktakteuren als eine Art Schiedsstelle für „kranke Wärmepumpen“ dienen soll. Harald Höflich vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg sieht die neu eingerichtete Stelle eines „Wärmepumpendoktors“ salomonisch als vorbeugende Maßnahme, um den Ursachen einer wachsenden Anzahl an weniger zufriedenstellenden Wärmepumpenanlagen auf den Grund zu gehen.

Vorbild ist hier das Modell in der Schweiz, das nach dem Wärmepumpendebakel Ende der 1980er/Anfang der 1990er Jahre mit einer beispielhaften Qualitätsoffensive der Wärmepumpe wieder zu einem besseren Image verhalf. Dazu zählt der Aufbau eines Wärmepumpentestzentrums in Töss (heute an der interstaatlichen Hochschule für Technik in Buchs angesiedelt), eine Zertifizierungs- und Fortbildungsoffensive und eine Anlaufstelle für unzufriedene Wärmepumpenbetreiber mit einem so genannten Wärmepumpendoktor als Ansprechpartner. Dieser hat die Aufgabe, verloren gegangenes Vertrauen des Endverbrauchers gegenüber Wärmepumpenherstellern, Lieferanten und Anlagenbauer wieder zurückzuholen. Typisch für Auseinandersetzungen zwischen Kunden, Herstellern und Anlagenbauern sind – bezogen auf die Schweiz – die Wärmepumpengeräte selbst, die hydraulische Einbindung der Teilsysteme, das generelle Anlagenkonzept, die Leistung der Erdwärmesonden, Service- und Unterhaltskosten sowie Auseinandersetzungen mit Nachbarn wegen Schallproblemen.

Ziel des vom Land Baden-Württemberg installierten Wärmepumpendoktors ist laut Höflich die Objektivierung der Sachlage in Streitfällen und eine Hilfestellung zur Problemlösung mit der Absicht, Rechtsstreitigkeiten, aufwendige Gutachten und Negativ-Schlagzeilen in der Tagespresse zu vermeiden. Dazu soll ein Netzwerk mit kompetenten Beratern und Sachverständigen eingerichtet werden, deren Erkenntnisse in Fortbildungs- und Qualifizierungsmaßnahmen einfließen. Das Angebot schließt eine kostenlose telefonische Beratung bis etwa drei Stunden mit ein.

Steigerungsmöglichkeiten beim COP

Während sich mancher Endverbraucher damit zufrieden gibt, dass er mit einer Wärmepumpe billiger heizt als mit Heizöl oder Erdgas, legen die Fördergeber zunehmend Wert auf die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte bei Leistungszahl (COP) bzw. Jahresarbeitszahl (JAZ). Dr.-Ing. Stephan Heinrich von der Hochschule Biberach verdeutlich­te anhand von Betriebsoptimierungen an der Geothermieanlage der Gebhard-Müller-Schule in Bibe­rach, dass noch große Steigerungsmöglichkeiten bei der energetischen Effizienz von Grundwasser-Wärmepumpen bestehen. So lag der COP der „reinen“ Wärmepumpe bei größer 4,0, unter Einbeziehung der Grundwasser-Umwälzpumpe aber nur noch bei kleiner 3,0. Bezog man auch den Strom für die Pumpenheizkreise mit ein, sank der COP-Wert sogar auf 2,4.

„Schuld“ am ungünstigen Gesamt-COP war unter anderem die Kühlung eines Server-Raumes mit etwa 6 kW Kühllast, für den im ungünstigsten Fall die Grundwasserpumpe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 4 bis 11 kW in Betrieb ging. Als besonders effizient erwies sich die COP-Optimierung der Naturalkühlung mit einer Verbesserung um mehr als 60 %. Heinrich sprach sich dafür aus, Geothermieanlagen wegen der komplexen Einflüsse möglichst permanent zu überwachen. Generell müsse ein stärkeres Augenmerk auf Stand-by-Verluste und den Bedarf an Pumpenstrom gelegt werden. Für eine ständige Überwachung sei es sinnvoll, die vorhandenen MSR-Strukturen zu erweitern und genauere Messfühler einzusetzen.

Sondenmeter optimieren

Nach wie vor kommt bei vielen Gebäuden die Geothermie erst ins Spiel, wenn das Gebäude bereits in Bau ist und die Planungen der HLK-Anlagen abgeschlossen sind. Anders beim Bau eines Produktions-, Lager- und Bürogebäudes in Tettnang: Dort wurde von vornherein sowohl bei der Heizung als auch bei der Kühlung auf COP-günstige Systemtemperaturen geachtet und das Gesamtkonzept auf einen möglichst hohen Anteil an geothermischer Heiz- und Kühlenergie optimiert. Markus Pfeil von der Pfeil & Koch Ingenieurgesellschaft, Stuttgart, ging noch einen Schritt weiter und optimierte das Sondenkonzept noch während der Bohrphase. So wurde aufgrund des Schichtenprofils der ersten Bohrung sowie eines Thermal-Response-Tests die Gesamtlänge an Bohrmetern erhöht und ein thermisch verbessertes Verfüllmaterial eingesetzt. Insgesamt sei die Planung eines geothermisch beheizten und gekühlten Gebäudes ein anspruchsvoller und komplexer Planungsprozess, der auch in der technischen Umsetzung hohe Anforderungen stelle. Wichtig seien eine laufende Qualitätssicherung sowie eine Betriebsoptimierung mithilfe eines Monitorings.

Welchen Einfluss die geologische Analyse des Untergrundes für die Bewertung von Geothermieanlagen und deren Standort hat, verdeutlicht das Beispiel Frankfurt am Main. Thomas Waberseck von der Technischen Universität Darmstadt wies in seinem Vortrag darauf hin, dass der Untergrund von Frankfurt teilweise bereits auf 15 °C aufgeheizt ist und somit für eine geothermische Naturalkühlung kaum mehr nutzbar sei. Die Ursache sieht Waberseck in den weit in das Erdreich und damit auch in das Grundwasser reichenden Gebäuden sowie den Tunneln der U- und S-Bahn, die Wärme an die Umgebung und damit auch an das Grundwasser abgeben. Bei geothermischen Großprojekten in Städten müsse das Temperaturverhalten des Untergrundes deshalb möglichst präzise unter Berücksichtigung der Nachbarbebauung und der Grundwasserströme simuliert werden. Generell werfe die geothermische Nutzung des Erdreichs künftig auch rechtliche Fragestellungen auf, da mit zunehmender Dichte an geothermischen Anlagen mit einer gegenseitigen Beeinflussung zu rechnen sei, so Waberseck.

Mehr Anlagen in Betrieb als gemeldet

Trotz Meldepflicht scheint es beim Bau von Geo­thermieanlagen eine Grauzone zu geben. Nach Aussagen von Dr. Christian Trapp vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB), Freiburg, sind in Baden-Württemberg rund 9000 oberflächennahe Geothermie-Wärmepumpenanlagen erfasst; das sind allerdings weniger als bei den EVU gemeldet sind. Allgemein seien in der oberflächennahen Geothermie die stürmischen Jahre vorbei, eine Tendenz, die von anderer Seite auch für das Land Hessen bestätigt wird. Da inzwischen bei den Anlagenbauern mehr Erfahrungen im Umgang mit Genehmigungsbehörden vorlägen, gäbe es eine Tendenz zu Sondenlängen tiefer als 100 m.

Künftig wolle man das Genehmigungsprocedere für oberflächennahe Geothermieanlagen weiter vereinfachen, jedoch größeren Wert auf qualitative Verbesserungen rund um das Bohrloch legen. Auch Trapp fordert eine dauerhafte, qualitativ hochwertige Verfüllung des Bohrlochs. Der Schutz des Grundwassers müsse Vorrang haben. Bei nicht sachgemäß ausgeführten Bohrungen müsse man Haftungsansprüche gegen die Betei­ligten stellen können, so Trapp. Standort- und flächenbezogene Informationen mit geologischen und geothermischen Angaben werden künftig vom LGRB unter der Bezeichnung ISONG – Informa­tionssystem oberflächennahe Geothermie – über das Internet zur Verfügung gestellt.

„Ein Haus – eine CO₂-Sonde“

Während auf der einen Seite auf das Risiko tieferer Bohrungen hingewiesen und eher mehrere Bohrungen zwischen 50 und 70 m empfohlen werden, gibt es erste Erfahrungen mit bis zu 250 m tiefen CO₂-Heat-Pipe-Sonden. Die selbst zirkulierende CO₂-Erdwärmesonde käme wegen der höheren Wärmestromaufnahme auf eine Jahresarbeitszahl von bis zu 6, gegenüber 4 bei konventionellen Sonden, so Dr. Roman Zorn von der Universität Karlsruhe. Mit der erhöhten Leistung des Wärmerohrs könne man das Konzept „Ein Haus – eine Sonde“ künftig öfter umsetzen, sofern der Zustand des Untergrundes dies erlaube. Wichtig sei auch hier eine thermisch optimierte Verfüllung zwischen dem druckfesten, flexiblen Edelstahlrohr und dem Bohrloch. Eine Referenzanlage steht in Triberg-Nussbach im Schwarzwald, die eine Tiefe von 250 m mit einem Wärmerohr-Innendurchmesser von nur 65 mm aufweist.

Eine solche Sonde zeigte in Offenburg die Brugg Rohrsysteme GmbH, Wundstorf, zunächst für die Längen 80/100/130 m und 44 mm Außendurchmesser. Dank der Spiralwellung des Sondenrohres fließt das im Verdampferbehälter durch eine Wärmepumpe verflüssigte CO₂ in die Erdsonde zurück, ohne mit dem stetig nach oben strömenden gasförmigen CO₂ zu kollidieren. Geistiger Vater der CO₂-Sonde ist Prof. Dr.-Ing. Horst Kruse, Leiter des Forschungszentrums Kältetechnik und Wärmepumpen in Hannover.

Kunden sind überfordert

Mehr Aufschluss über die Erfahrungen mit Erdwärmesonden-Anlagen in Baden-Württemberg erhofft sich die Branche durch die Evaluation von 150 Anlagen durch Mitarbeiter der Klimaschutz- und Energieagentur (KEA), Karlsruhe, deren Endbericht im August 2008 erwartet wird. Dr.-Ing. Martin Sawillion gab in Offenburg schon einen Einblick in die vorläufigen Ergebnisse. Auszug:

• die durchschnittliche Wohnfläche bei geothermischen WP-Anlagen liegt bei 200 m², die Heizleistung bei 12,7 kW und die Anzahl der Sondern bei 2,3 mit je 90 m Tiefe
• bei 12 % der Anlagen wird auch natural gekühlt
• 22 % der untersuchten Erdwärmepumpen sind zusätzlich mit einer solarthermischen Anlage ausgestattet.

Typische Probleme sind:

• wasserrechtliche Bescheide werden meist nicht gelesen bzw. gelesen aber nicht verstanden
• Kunde ist mit den Beschreibungen/Bedienungsanleitungen der Hersteller überfordert
• unklare Gesamtverantwortung für Bohrsonden und Wärmepumpen-Anlage
• Schmutzprobleme beim Bohren sind oft gravierend
• unseriöse Bohrfirmen liefern bei den Geologischen Landesämtern „vorgefertigte“ Schichtenverzeichnisse ab
• Steuerung/Regelung der Wärmepumpe ist nicht benutzerfreundlich
• kritische Betriebswerte bei Wärmepumpen werden von Endkunden oft nicht erkannt
• Betreiber kontrollieren nur den Stromverbrauch (97 %); Wärmemengenzähler werden nur selten eingebaut (13 %) oder ein­gebaute Wärmemengenzähler werden nicht abgelesen
• Effizienzwerte wie COP und JAZ sind beim Endverbraucher weitgehend unbekannt; als „wirtschaftlich“ gilt was billiger ist als Heizöl oder Erdgas
• bei 6 bis 7 % der Anlagen liegt ein dauerhaftes Problem vor.

Trotz aller Widrigkeiten werden die von KEA erfassten Wärmepumpenanlagen auf einer Skala von 1 (sehr zufrieden) bis 5 (absolut unzufrieden) im Mittel mit der Note 1,6 bewertet, die Zufriedenheit mit den Akteuren mit der Note 1,9. Sawillion zu den Ergebnissen: „Mich wundert, wie wenig die Endnutzer an der energetischen Effizienz ihrer Anlage interessiert sind.“

Augen zu und durch

Wenig Schmeichelhaftes über die Bemessung von Erdsonden berichtete auch Dr. Sven Rumohr vom Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie in Wiesbaden. Aus seiner Sicht müssten die in VDI 4640 genannten Entzugsleistungen und Wärmeleitfähigkeiten korrigiert bzw. spezifiziert werden. „Die VDI-Angaben sind zu weich.“ Die schweizerischen SIA-Richtlinien seien hier deutlich genauer und verbindlicher. Die Technik rund um die Erdwärme sei viel zu wichtig, als dass man sich auf die offensichtlich nicht mehr ganz zeitgemäßen Angaben der VDI 4640 verlassen könne. Viele Planer gingen bei der Sondenauslegung nach der Devise vor: Augen zu und durch. Der Endverbraucher müsse eine Garantie für die Leistung bekommen, für die er schließlich bezahlt habe. Das vielfach gehörte Argument „Was wollt Ihr denn, die Anlage läuft doch“, sei überholt. Die meisten Wärmepumpenbetreiber wüssten nicht einmal, wie oft bzw. wie lange der eingebaute Heizstab in Betrieb ist.

Auch von anderer Seite wurde bemängelt, dass die Effizienz einer Wärmepumpe nicht am Display angezeigt bzw. mitgeschrieben wird. Ein Installateur dazu: „Der Einfamilienhausbesitzer zahlt oft bis zu 8000 Euro für eine Wärmepumpe und bekommt weder einen COP-Wert noch die Jahresarbeitszahl angezeigt.“

Fazit

Die energetische Effizienz geothermischer Wärmepumpenanlagen ist noch stark verbesserungswürdig. Nicht nur Erdreich, Bohrloch, Sonde und Verfüllmaterial müssen besser aufeinander abgestimmt werden, sondern auch die Hydraulik, die Leistungsabstimmung mit der Wärmepumpe und die COP-optimierte Auslegung des Heiz-/Kühlsystems. Auch muss dem Endverbraucher eine Möglichkeit eingeräumt werden, die energetische Effi­zienz seiner Anlage ohne Rechenkunststücke zu überprüfen. Die Mikroelektronik bietet heute einfache und preiswerte Möglichkeiten, COP und JAZ zu dokumentieren und Auffälligkeiten, zum Beispiel die Häufigkeit und Dauer elektrischer Direktheizphasen, auf einem Display darzustellen.

Mit Staufen geht’s abwärts, ein Ort sinkt ab, ein Riss geht durch Staufen, Landgericht sichert Beweise … solche Überschriften treiben derzeit nicht nur Bohrunternehmen den Schweiß auf die Stirn, sondern auch SHK-Installateuren, die sich plötzlich mit ganz neuen Fragestellungen rund um die geothermische Wärmepumpe konfrontiert sehen. Was ist passiert? Im September 2007 wurden in Staufen im Breisgau zwischen Rathaus und Bauamt sieben Erdwärmesonden, à 140 m, niedergebracht. Schon wenige Wochen später zeigten sich im Rathaus und angrenzenden Gebäuden meterlange Risse. Inzwischen wurden etwa 250 m im Umkreis der Sondenanlage an über 50 Gebäuden Schäden durch Risse festgestellt. Warum es zu den Setzungen und Hebungen rund um die Bohrlöcher gekommen ist, soll jetzt in einem Beweissicherungsverfahren geklärt werden. Der Untersuchungsbericht wird Anfang Juni 2008 erwartet.

Am Rande der Geotherm in Offenburg hieß es aus fachkundigem Munde, dass womöglich ein „Arteser“ leergelaufen ist und es dadurch zu Setzungen kam. Andere bezeichnen den geologischen Untergrund zwischen Schwarzwald und Rheintal als problematisch, da stark zerklüftet. Schon einmal sei man beim Bauen in der Staufer Altstadt in einer Tiefe von 13 m Tiefe auf einen größeren Hohlraum gestoßen, der mit Beton verfüllt werden musste. Nicht ganz wohl dürfte den Akteuren bei dieser neuen Art von Interesse an der Geothermie sein. Laut Medienberichten hat inzwischen ein regelrechter Riss-Tourismus nach Staufen eingesetzt.

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