Geothermie

Die Wärmepumpe erfreut sich gerade im Neubau großer Beliebtheit. 2017 war sie hier nach Gas-Brennwert die am zweithäufigsten gewählte Heiztechnik. Bei den Wohngebäuden nahm sie sogar den ersten Platz vor Gas als primäre Heiztechnik ein. Bestimmt wird der Markt dabei von Luft/Wasser-Wärmepumpen.

Doch Wärmepumpen, die die Wärme des Erdreichs nutzen, sind zwar investiv deutlich teurer, aber effizienter und erreichen meist mühelos die auch aus Förderzwecken anzustrebende Jahresarbeitszahl von 3,8 (1 kWh eingesetzter Strom erzeugt rund 3,8 kWh Wärmenergie). Zudem sind sie in der Lage, ein Gebäude im Sommer fast zum Nulltarif zu kühlen.

Unterschieden werden die Erdwärmepumpen, auch Sole/Wasser-Wärmepumpen genannt, nach ihren Installationsarten. Sie unterscheiden sich je nachdem, wie die Wärmequelle Erdreich genutzt wird: mittels vertikaler Sonden, horizontaler Kollektoren, Körben, Grabenkollektoren oder Ringgrabenkollektoren, die in einem halben Meter Tiefe konzentriert in einem rings um das Grundstück verlaufenden Graben verlegt werden.

Die überwiegende Mehrzahl der Arbeiten für geothermische Anlagen läuft reibungslos ab und erfolgt fehlerfrei. Aus den Anfangsfehlern hat die Branche gelernt. Zudem flankieren Gesetze und Verordnungen die Geothermie, so dass Fehler heutzutage kaum noch vorkommen. Bei vertikalen Erdwärmesonden etwa dürfen nur zertifizierte Bohrunternehmen die Arbeiten übernehmen.

Fehler in der Planung

Die heutigen Fehlerquellen liegen meist in der Planung. Entweder werden die Erdwärmepumpen zu groß oder zu klein ausgelegt; letztes ist dabei deutlich häufiger. Oder die Wärmepumpe entspricht zwar der Heizlast des Gebäudes, aber die Wärmequelle wird zu gering dimensioniert. Als Folge erbringt sie nicht die erforderliche Entzugsleistung. Die Quellentemperatur kann dann langfristig absinken, was sich negativ auf die Effizienz der Anlage auswirkt. Zu gering dimensionierte Wärmequellen setzen im Betrieb einen Teufelskreis in Gang: Da die Heizleistung gegenüber der Heizlast zu gering ausfällt, läuft die Wärmepumpe länger. Das führt zu einer Abkühlung des Erdreiches, was wiederum die Effizienz der Wärmpumpe beeinträchtigt. Sie muss dann noch länger laufen. Die Erdreich-Temperaturen von 10 bis 12 °C werden nicht mehr erreicht.

„In der Regel wird im Genehmigungsbescheid eine Untergrenze der Soletemperatur vorgegeben, mit der die Sole in die Erdwärmesonde eintreten kann. Somit wird ein ‚Dauerfrost im Erdreich‘ praktisch ausgeschlossen, da die Anlage vorher abschaltet“, erläutert Martin Sabel. Der Geschäftsführer des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) erklärt, wie das zuvor genannte Problem schon in der Planungsphase verhindert werden kann. Zwar sei es durchaus vorgesehen, dass die Temperatur im Verlauf des Winters absinke. Während des Sommers würde sie sich dann aber wieder regenerieren, so dass zu Beginn des nächsten Winters wieder die Ausgangstemperatur vorliege. „Über 50 Jahre kann die Temperatur auch durchaus im Mittel absinken“, so Sabel. „Sie wird sich dann in einem Gleichgewichtszustand einpendeln, der irgendwo zwischen 0 und 10 °C liegt.“

Der Coefficent of Performance (COP), der den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Quellentemperatur bezeichnet, wird deswegen bei Sole-Wärmepumpen mit B0/W35 angegeben. Von 0 °C Soletemperatur an der Quelle wird die Temperatur auf 35 °C für den Vorlauf angehoben.

Ein Dauerfrost im Erdreich ist also bei richtiger Planung auszuschließen. Leider, so Sabel, gebe es tatsächlich vereinzelt solche Fälle. Deswegen sei die fachgerechte Auslegung der Erdwärmequelle auf Grundlage VDI 4640 Blatt 2 so entscheidend. Es enthalte vereinfachte Auslegungsregeln. Man könne aber auch mit entsprechender Planungssoftware wie dem Earth Energy Designer (EED) arbeiten.

Regeneration der Quellen wichtig

Eine Erdwärmequelle sollte grundsätzlich so ausgelegt sein, dass sie sich durch die Energie der Umgebung wieder regeneriert. So wird über einen längeren Zeitraum betrachtet nur so viel Wärme entnommen, wie aus der Umgebung nachgeliefert werden kann. Bei einer Erdwärmepumpe, die gleichzeitig zur Kühlung dient, passiert dies auch durch den Wärmeeintrag aus dem Gebäude. Bei der Planung muss die Kühlung im Sommer entsprechend berücksichtigt werden.

Wird sie nur zur Heizung genutzt, besteht die Möglichkeit bei einer größeren Sole-Wärmepumpe die Regeneration des Erdreiches zu unterstützen. Dazu dienen meist Solarabsorber. Letztere sind schwarze Kunststoffschläuche, die mit einem Gemisch aus Wasser und Gefrierschutzmittel gefüllt sind. Sie nehmen die Umgebungstemperatur der Luft auf, können also auch an wärmeren Wintertagen selbst Wärme erzeugen. Diese Wärme wird dann entweder ins Erdreich geleitet oder bei einigen Installationen auch direkt für Heizzwecke genutzt. Bekannt ist diese Anwendung vor allem bei Eisspeichern. Hier würde die Regeneration, also das Auftauen des Eises, ohne Unterstützung nicht funktionieren.

Ein weiterer Planungsfehler hängt mit dem Warmwasser zusammen. Dieses liegt bei größeren Gebäuden mit 60 °C deutlich über der Vorlauftemperatur, die durch die Sole-Wärmepumpe erzielt wird. Ein möglicher dritter Fehler liegt bei den Kollektoren der Sole-Wärmepumpe selbst. Während es bei den horizontal verlegten Varianten bestimmter Abstandsregeln für Kollektor und Grabenkollektor bedarf, ist dies beim Bohren von vertikalen Sondenlöchern deutlich komplizierter. Ein Stück weit entschärft wird die Situation dadurch, dass in Deutschland bei den üblichen Bohrungen bis 99 m Tiefe nur vom DVGW zertifizierte Bohrunternehmen zugelassen sind. Deswegen ist die Wahrscheinlichkeit gravierender Schadenereignisse mit 0,002 % pro Jahr gering, wie Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) errechnet haben.

Dennoch sind einige Standards zu beachten. Und: Derartige Fehler geschahen ausnahmslos in Anhydrit-Formationen. Wenn in diese Wasser eindringt, nehmen sie dieses auf und dehnen sich aus. Das führt zu Bewegungen in der geologischen Formation, die bis zur Oberfläche reichen. In Deutschland ist das Bohren in solchen Regionen deswegen grundsätzlich verboten.

Abdrift bei tiefen Bohrungen

Auch bei den erlaubten Bohrungen kann es zu Fehlern kommen. Tiefere Bohrungen driften meist leicht um 2° bis 5° ab. Sonden, die hier eingebracht werden, schaben immer an der Bohrwand. Je nachdem, wie stark dieses Schaben ist, kann die Bohrwand beschädigt werden, so Jürgen Strebe, Geschäftsführer des Geothermie-Spezialisten Pumpen Strebe. Folge: Das Abdichtungsgemisch aus Zement und Ton kann dann die Sonde nicht komplett umschließen. Dadurch besteht die Gefahr einer Verunreinigung des Grundwasserleiters durch aufsteigendes und kontaminiertes Tiefenwasser. Der gleiche Fehler kann übrigens bei nicht sachgerechten Verfüllungen selbst bei exakt gebohrten Löchern passieren. Die Folgen dieser Schäden sind meist erst nach Jahren zu entdecken.

Deswegen werden aktuell vorwiegend Sonden aus PE 100-RC verwendet. RC steht für „resistant to cracks“. Zudem werden Spezialbaustoffe eingesetzt, die fertig angemischt vom Hersteller angeliefert werden. Eine „Baustellenmischung“ zu verwenden, wie in früheren Zeiten durchaus vorgekommen, ist also nicht mehr statthaft.

„Häufig wird das Risiko von Erdwärmesondenanlagen für das Grundwasser betont. Bei korrekter Planung und Ausführung ist dieses äußerst gering. Für die Installation von Erdwärmesonden in hydrogeologisch anspruchsvollen Gebieten stehen zudem Techniken zur Verfügung, um den Verfüllvorgang zu überwachen und zu dokumentieren. Ein echtes Problem für das Grundwasser stellt vor allem das aus der intensiven Landwirtschaft stammende Nitrat dar, welches über die Fläche ins Grundwasser sickert, und nicht die Erdwärmesonden, deren Ringraum sehr aufwändig verfüllt und abgedichtet wird“, weiß Sabel.

Jedes Bundesland anders

Eine Erschwernis für Geothermie ist auch die unterschiedliche Handhabung in den einzelnen Bundesländern, so Sabel. Während in Niedersachsen, wo es aufgrund der Öl- und Gasgewinnung eine lange Bohrtradition gibt, günstige und praxisgerechte Auslegungen für die Bohrungen erfolgten, würde dies in Hessen etwa extrem behindert. Mit der DVGW W120 Zertifizierung (siehe auch Normen und Richtlinien) und der verschuldensunabhängigen Versicherung sei jedoch viel erreicht worden, um die Qualität zu verbessern und das wenn auch geringe Restrisiko eines jeden Tiefbauvorhabens abzusichern. Allerdings sei die Genehmigungspraxis in vielen Ländern zu kompliziert und mit zu hohen Auflagen und Unsicherheiten verbunden.