Geothermie: mit Erdwärmepumpen Erdwärme nutzen

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Die Erde ist ein warmer Planet. Und diese Wärme können wir nutzen, um unsere Häuser zu erwärmen. Die Technik, die das ermöglicht, nennt sich Geothermie und wird sowohl in Kraftwerken als auch in Wohnhäusern eingesetzt: Flachkollektoren, Spiralkollektoren oder Erdwärmesonden entziehen dem Erdreich Wärme.

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Ein Heizungsraum mit Wärmepumpe. Der runde Pufferspeicher steht im Vordergrund. Foto: Bundesverband Wärmepumpe e.V. / Stiebel Eltron

Im Innern der Erde herrschen Temperaturen von fast 6.000 Grad. Je größer die Entfernung zum Erdkern, desto kälter wird’s, knapp unterhalb der Erdoberfläche kann das  Erdreich sogar gefrieren. Dennoch reicht das bisschen Restwärme, das unmittelbar unter der Erdoberfläche gespeichert ist aus, um Häuser zu erwärmen.

So funktioniert Geothermie

Erdwärmepumpen pumpen die Wärme der Erde ins Haus. Das lässt zumindest der Name schließen. Ganz so einfach ist es aber nicht. Denn Wärme braucht immer ein Trägermedium. Das ist in diesem Fall beispielsweise Wasser vermischt mit einem Frostschutzmittel. Mithilfe dieses Trägermediums wird die Wärme ins Haus gepumpt und dort auf ein Kältemittel übertragen. Als Kältemittel sind Stoffe geeignet, die einen niedrigen Siedepunkt besitzen: Einige Fluorkohlenwasserstoffe verdampfen auch bei Temperaturen unter 0 Grad. Dieses Kältemittel wird verdichtet, wobei die Temperatur steigt. Die Wärme kann dann mit der Hilfe eines Wärmetauschers an das Heizungs- und Brauchwasser abgegeben werden.

Erdwärme anzapfen – diese Möglichkeiten gibt es

Es gibt im privaten Bereich drei verschiedene Möglichkeiten, die Wärme der Erde zum Heizen zu nutzen: Mit Flachkollektoren, Spiralkollektoren und mit Erdwärmesonden

Die Erdwärmesonden verschwinden tief in der Erde. Dafür sind Bohrungen notwendig, die teuer sind und genehmigt werden müssen. Ab zehn bis 15 Metern Tiefe herrschen selbst im tiefsten Winter konstante Temperaturen um zehn Grad Celsius. Je tiefer gebohrt wird, desto wärmer wird’s. Erdwärmesonden arbeiten deswegen unabhängig von der Jahres- oder Tageszeit gleichmäßig effizient. 

Erdwärmekollektoren werden dagegen in einer Tiefe von 1,50 bis zwei Metern im Garten vergraben. Das ist weitaus günstiger, als Bohrungen vornehmen zu lassen. Allerdings benötigen die Kollektoren eine Fläche, die etwa doppelt so groß ist wie die zu beheizende Wohnfläche. Dieser Bereich darf nicht bebaut und nur eingeschränkt bepflanzt werden: Die Wurzeln von Bäumen können die Kollektoren beschädigen; Rasen, kleine Sträucher oder Gemüse dürfen aber gepflanzt werden. Weil die Kollektoren der Erde Wärme entziehen, kann es zu Wachstumsproblemen kommen. Weil die Temperaturen hier stärker schwanken, arbeiten Kollektoren bei niedrigen Außentemperaturen weit weniger effizient als Erdwärmesonden.

Spiralkollektoren und Wärmekörbe sind im Grunde eine Zwischenlösung. Sie werden in einer Tiefe von etwa vier Metern im Erdreich platziert. Das verschafft etwas größere Temperaturkonstanz, Tiefenbohrungen sind nicht notwendig. Durch die Spiralform der Kollektoren haben diese eine größere Fläche, die Wärme aufnehmen kann, weshalb eine deutlich geringere Fläche als bei Flachkollektoren benötigt wird. Bei geeigneten Bodenverhältnissen können die Kollektoren auch senkrecht im Boden verlegt werden. 

Info

Erdwärme kann auch im größeren Maßstab von Geothermiekraftwerken genutzt werden. Deren Technik unterscheidet sich von der Anwendung im privaten Bereich: Die Bohrungen gehen zum Teil mehrere Kilometer tief in die Erde. Von dort wird heißes Wasser nach oben gepumpt und weiter erhitzt. Der Wasserdampf treibt Turbinen an. Das abgekühlte Wasser wird wieder nach unten in die heiße Gesteinsschicht geleitet. Mittels Kraft-Wärme-Kopplung lässt sich neben Strom auch Fernwärme erzeugen.

Geothermie, Geothermiekraftwerk, Foto: iStock / Lisa-Blue
Ein Geothermiekraftwerk. Die Erdwärme wird mittels Kraft-Wärme-Kopplung genutzt, um Strom und Fernwärme zu produzieren. Foto: iStock / Lisa-Blue

Mit Erdwärme effizient heizen

Eine Erdwärmepumpe arbeitet dann besonders effizient, wenn sie möglichst wenig Arbeitsenergie in Form von elektrischem Strom einsetzen muss, um durch Kompression die gewünschte Zieltemperatur zu erreichen. Das Verhältnis von eingesetzter Energie und erzeugter Wärmeenergie wird Jahresarbeitszahl (JAZ) genannt. Ein guter Wert ist beispielsweise, wenn eine Wärmepumpe mit Hilfe von 2.500 kWh elektrischer Energie der Umwelt 10.000 kWh Wärmeenergie entnimmt. Die JAZ beträgt dann vier. Jahresarbeitszahlen zwischen drei und fünf gelten als realistisch und effizient.

Eine hohe JAZ ist zum einen dann wahrscheinlich, wenn die Ausgangstemperatur möglichst hoch ist. Sonden erzielen hier bessere Werte als Kollektoren. Zum anderen dann, wenn die Höchsttemperatur des Brauch- und Heizungswassers möglich niedrig ist. Das lässt sich in einem gut gedämmten Haus und mit Flächenheizungen, als Fußboden- oder Wandheizungen besser umsetzen als in schlecht gedämmten Häusern oder den weit verbreiteten Konvektionsheizkörpern. Ist die Temperaturdifferenz zu groß, muss das Wasser möglicherweise mit einem Heizstab erwärmt werden.

Infrastrukturelle Voraussetzungen für eine Erdwärmepumpe

Um  Geothermie nutzen zu können, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Grundstück: Wer die günstigeren Kollektoren verlegen möchte, braucht viel Platz im Garten. Bei Sonden muss zumindest eigener und geeigneter Grund für Bohrungen vorhanden sein.
  • Flächenheizung: Um die Effizienz zu steigern, sollte die Vorlauftemperatur der Heizung so niedrig wie möglich sein. Das lässt sich mit Flächenheizungen erreichen, die eine Vorlauftemperatur von maximal 60 Grad aufweisen. Herkömmliche Konvektionsheizungen benötigen eine Vorlauftemperatur von bis zu 90 Grad.
  • Gute Wärmedämmung: Auch dank effizienter Wärmedämmung kann die Vorlauftemperatur etwas geringer sein. In Niedrigenergiehäusern sind Vorlauftemperaturen von unter 30 Grad machbar.
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Erdwärmekollektoren brauchen viel Platz im eigenen Garten. Foto: Bundesverband Wärmepumpe e.V.

Nur wenn diese Bedingungen erfüllt sind, lässt sich eine Wärmepumpe effizient betreiben. In einem Neubau ist das gut umsetzbar, für schlecht gedämmte Bestandsimmobilien ist eine Erdwärmepumpe meist nicht die richtige Wahl.

Vorteile und Nachteile einer Erdwärmepumpe

Sind alle Voraussetzzungen erfüllt, haben Erdwärmepumpen folgende Vorteile:

  • Günstig im Unterhalt: Es fallen in erster Linie Stromkosten an. Für Wärmepumpen gibt es günstige Heizstromtarife von etwa 20 Cent pro Kilowattstunde. Im Vergleich zu einer reinen Stromheizung wird aber deutlich weniger Strom benötigt. Bei einer JAZ von vier beispielsweise nur ein Viertel.
  • Umweltfreundlich: Eine Wärmepumpe ist genauso umweltfreundlich wie der Strom, den sie verbraucht. Mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien auf dem deutschen Strommarkt wird Geothermie immer umweltfreundlicher.
  • Wartungsarm: Eine Wärmepumpe muss nicht gereinigt oder überprüft werden. Nur, wenn etwas kaputt geht, müssen die entsprechenden Teile repariert oder ersetzt werden.
  • Hohe Effizienz: Eine Erdsonde ermöglicht das ganze Jahr hindurch effizientes Heizen, denn in Tiefen ab etwa zehn bis 15 Metern bleiben die Temperaturen stets konstant. Aber auch Kollektoren können effizient betrieben werden.

Auf der anderen Seite stehen natürlich auch einige Nachteile:

  • Hohe Anschaffungskosten: Das gilt insbesondere für die Sonde, denn dafür sind Bohrungen notwendig.
  • Hoher Platzbedarf: Das gilt nur für Kollektoren. Wer Spiralkollektoren verwendet, kann etwas Platz sparen, muss dafür etwas höhere Anschaffungskosten als bei Flächenkollektoren in Kauf nehmen.
  • Im Winter nicht unbedingt effizient: Das gilt nur für Erdwärmekollektoren. Wenn die Temperaturen tief fallen, sinkt auch die Temperatur im Erdboden. Gleichzeitig ist der Heizbedarf aber höher. Dann muss im Ernstfall ein Heizstab nachhelfen, der viel Strom verbraucht.
  • Nur in modernen Häusern effizient: Durch gute Wärmedämmung und Flächenheizung lässt sich der Heizbedarf senken. Dann arbeiten Wärmepumpen erst richtig effizient.

Das kostet eine Erdwärmepumpe

Das Verlegen von Erdwärmekollektoren kostet in der Regel rund 3.000 bis 8.000 Euro. Eine Sonde wird durch die Bohrungen teurer und kostet 8.000 bis zu 20.000 Euro. Beides ist abhängig von der Beschaffenheit des Bodens und dem Aufwand der Bohrungen oder Erdarbeiten. Dazu kommen noch die Kosten für die Heizungsinstallation im Haus samt Flächenheizungen. 

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Bohrungen für eine Erdwärmesonde sind aufwendig und teuer. Foto:Bundesverband Geothermie / Tractor-Technik

Die laufenden Kosten bestehen in erster Linie aus Stromkosten. Für Wärmepumpen gibt es allerdings spezielle Tarife, die deutlich günstiger sind als normale Stromtarife. So sind Kilowattpreise von knapp 20 Cent pro Kilowattstunde möglich. Ein Vier-Personen-Haushalt in einem gut gedämmten Haus mit 150 Quadratmeter Grundfläche könnte auf eine Heizleistung von 10.000 kWh pro Jahr kommen. Erreicht die Erdwärmepumpe eine sehr gute Arbeitszahl von vier, müssen 2.500 kWh Strom zum Betrieb eingesetzt werden. Bei einem Strompreis von 20 Cent pro kWh macht das im Jahr 500 Euro. Samt Grundgebühren des Stromanbieters fallen etwa 550 Euro im Jahr an.

Link-Tipp

Erdwärme kann auch mit Solarthermie und Fotovoltaik kombiniert werden. Mehr Informationen: Wärmepumpe und Solarthermie kombinieren: Heizkosten sparen

Eine einfache Amortisationsrechnung vergleicht die Anschaffungskosten zweier verschiedener Heizungssysteme und rechnet die unterschiedlichen laufenden Kosten gegeneinander hoch. Kosten eine Gasheizung beispielsweise 9.000 Euro, eine Wärmesonde 15.000 Euro und liegen die Heizkosten der Sonde um 300 Euro unter den Gaskosten, amortisiert sich die Sonde nach 20 Jahren. Diese Rechnung kann aber komplizierter ausfallen, etwa wenn man die Mehrkosten einer Flächenheizung mit einberechnet, von steigenden Rohstoffpreisen ausgeht oder Strom selbst produziert.

Geothermie: vor allem im Neubau interessant

Geothermie ist vor allem im Neubau interessant, denn hier können Heizung und Gebäude perfekt aufeinander abgestimmt werden. Die hohen Kosten können sich insbesondere dann amortisieren, wenn eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl erreicht wird. Im Gebäudebestand ist die Verwirklichung einer Wärmepumpe nicht immer möglich und zum Teil auch mit höheren Kosten verbunden. Diese werden jedoch zum Teil durch Förderprogramme des Bundesministeriums für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) abgefedert.

23.03.2017


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