Das Einbringen von Erdsonden zur Nutzung der Erdwärme als Unternehmensmodell in der Baubranche
©2007
Diplomarbeit
91 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Für die privaten Haushalte hat sich der Verbraucherpreis für Heizöl von 26,38 Euro/100 l im Jahr 1991 auf 53,59 Euro/100 l im Jahr 2005 mehr als verdoppelt. Der Preis für Erdgas stieg im selben Zeitraum um 50,6 %. Die Kosten zum Beheizen der Wohnung mit konventionellen Verbrennungsanlagen stiegen dem entsprechend. In Zeiten der hohen Energiepreise und der wachsenden Unsicherheit hinsichtlich der Energieversorgung suchen immer mehr Hausbesitzer nach Alternativen zu Öl und Gas. Besonders herausstechend ist dabei die Entwicklung und Verbreitung der Wärmepumpentechnik. In der Schweiz, in Österreich, den Niederlanden und den Skandinavischen Ländern hat sich das System bereits etabliert. Nun erfolgt seit einigen Jahren der Durchbruch auf dem Deutschen Markt, dabei zeigt sich, dass der Großteil der Wärmepumpen als Wärmequelle das Erdreich mit Hilfe von Erdwärmesonden nutzt. Für den Heizungsbauer spielt es keine Rolle, ob er eine Wärmepumpe oder eine Gasheizung installiert. Die erzielbaren Gewinne differenzieren kaum von einander. Um von dieser Entwicklung dennoch zu profitieren, ohne selbes Wärmepumpen herzustellen und zu verkaufen, besteht die Möglichkeit Erdwärmesonden einzubauen. Die Herstellungskosten der Erdwärmesonden belaufen sich auf ca. die Hälfte der Gesamtinvestition der Heizungsanlage. Mit dem Erfolg der Wärmepumpe, entsteht ein völlig neuer Markt für Unternehmen die Erdwärmesonden einbringen können. Innerhalb von zehn Jahren ist der Verkauf von Wärmepumpenanlagen mit Erdwärmesonden als Wärmequelle von 100 Stück im Jahr 1996 auf 10.000 Stück im Jahr 2006 gestiegen. Der größte absolute Anstieg wurde von ca. 12.000 Neuanlagen 2005 auf ca. 28.600 zum Jahr 2006, mit ca. 16.600 verkauften Wärmepumpen erzielt. Darin enthalten sind allerdings mit ca. 30 % auch die Wärmepumpen enthalten, die nicht als Wärmequelle Erdwärmesonden verwenden. Von diesem Anstieg profitieren besonders die wenigen Bohrunternehmen, die in der Vergangenheit ihr Tätigkeitsfeld in Aufschlussbohrungen für geologische Untersuchungen oder im Brunnenbau vorfanden und nun einer Überflutung von Anfragen für Erdwärmesondenbohrungen ausgesetzt sind. Dadurch werden weiterhin Wartezeiten und Kosten für die Bauherren ansteigen sowie die Gewinne der Bohrunternehmen.
Das Thema dieser Arbeit Einbringen von Erdwärmesonden zur Nutzung der Erdwärme als Unternehmensmodel in der Baubranche ist dieser Situation geschuldet und soll Anforderungen und Vorraussetzungen […]
Für die privaten Haushalte hat sich der Verbraucherpreis für Heizöl von 26,38 Euro/100 l im Jahr 1991 auf 53,59 Euro/100 l im Jahr 2005 mehr als verdoppelt. Der Preis für Erdgas stieg im selben Zeitraum um 50,6 %. Die Kosten zum Beheizen der Wohnung mit konventionellen Verbrennungsanlagen stiegen dem entsprechend. In Zeiten der hohen Energiepreise und der wachsenden Unsicherheit hinsichtlich der Energieversorgung suchen immer mehr Hausbesitzer nach Alternativen zu Öl und Gas. Besonders herausstechend ist dabei die Entwicklung und Verbreitung der Wärmepumpentechnik. In der Schweiz, in Österreich, den Niederlanden und den Skandinavischen Ländern hat sich das System bereits etabliert. Nun erfolgt seit einigen Jahren der Durchbruch auf dem Deutschen Markt, dabei zeigt sich, dass der Großteil der Wärmepumpen als Wärmequelle das Erdreich mit Hilfe von Erdwärmesonden nutzt. Für den Heizungsbauer spielt es keine Rolle, ob er eine Wärmepumpe oder eine Gasheizung installiert. Die erzielbaren Gewinne differenzieren kaum von einander. Um von dieser Entwicklung dennoch zu profitieren, ohne selbes Wärmepumpen herzustellen und zu verkaufen, besteht die Möglichkeit Erdwärmesonden einzubauen. Die Herstellungskosten der Erdwärmesonden belaufen sich auf ca. die Hälfte der Gesamtinvestition der Heizungsanlage. Mit dem Erfolg der Wärmepumpe, entsteht ein völlig neuer Markt für Unternehmen die Erdwärmesonden einbringen können. Innerhalb von zehn Jahren ist der Verkauf von Wärmepumpenanlagen mit Erdwärmesonden als Wärmequelle von 100 Stück im Jahr 1996 auf 10.000 Stück im Jahr 2006 gestiegen. Der größte absolute Anstieg wurde von ca. 12.000 Neuanlagen 2005 auf ca. 28.600 zum Jahr 2006, mit ca. 16.600 verkauften Wärmepumpen erzielt. Darin enthalten sind allerdings mit ca. 30 % auch die Wärmepumpen enthalten, die nicht als Wärmequelle Erdwärmesonden verwenden. Von diesem Anstieg profitieren besonders die wenigen Bohrunternehmen, die in der Vergangenheit ihr Tätigkeitsfeld in Aufschlussbohrungen für geologische Untersuchungen oder im Brunnenbau vorfanden und nun einer Überflutung von Anfragen für Erdwärmesondenbohrungen ausgesetzt sind. Dadurch werden weiterhin Wartezeiten und Kosten für die Bauherren ansteigen sowie die Gewinne der Bohrunternehmen.
Das Thema dieser Arbeit Einbringen von Erdwärmesonden zur Nutzung der Erdwärme als Unternehmensmodel in der Baubranche ist dieser Situation geschuldet und soll Anforderungen und Vorraussetzungen […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Robert Grzebiela
Das Einbringen von Erdsonden zur Nutzung der Erdwärme als Unternehmensmodell in
der Baubranche
ISBN: 978-3-8366-1220-3
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2008
Zugl. Hochschule Wismar, Wismar, Deutschland, Diplomarbeit, 2007
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von
Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der
Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung
dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik
Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich
vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des
Urheberrechtes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei
zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Die Informationen in diesem Werk wurden mit Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können
Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden und der Verlag, die Autoren oder
Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für evtl.
verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2008
Printed in Germany
I
Inhaltsverzeichnis
Seite
Abkürzungsverzeichnis ...3
1
Einleitung...5
2
Erdwärmenutzung für Deutschland...6
2.1
Energiequellen, Erscheinungsformen und Nutzung ... 6
2.1.1
Solarenergie ... 7
2.1.2
Erdwärme ... 7
2.1.3
Planetenbewegung... 7
2.2
Potential der Erdwärmenutzung in Deutschland ... 7
2.3
Begünstigte Heizungsanlagen der EnEV... 8
2.4
Vergleich mit anderen Heizungssystemen ... 9
2.5
Partizipieren am Markt ... 11
2.6
Die Wärmepumpe ... 13
2.6.1
Funktionsweise von Wärmepumpe ... 13
2.6.2
Effizienz von Wärmepumpen ... 14
2.6.3
Wärmequellen für Wärmepumpen ... 15
3
Geothermie ...16
3.1
Wärmequelle im Erdinneren ... 16
3.2
Temperatur- Tiefenverteilung und Wärmefluss ... 17
3.2.1
Wärmefluss aus dem Erdinneren ... 17
3.2.2
Wärmeeintragung durch die Sonne ... 18
3.2.3
Bedeutung des Grundwassers für geothermische Nutzungen ... 18
3.2.4
Wärmeregime im Untergrund ... 19
3.3
Nutzungsmöglichkeiten der Erdwärme ... 20
3.3.1
Grundwasserwärmenutzung ... 20
3.3.2
Horizontal und Vertikal verlegte Erdreichwärmeüberträger ... 21
3.3.3
Gruben und Tunnelwasser... 23
3.3.4
hydrothermale Tiefenerdwärmenutzung ... 24
3.3.5
Nutzung trockener, heißer Gesteinsformationen... 24
3.4
Erdwärmesonden ... 25
3.4.1
Auslegung... 26
3.4.1.1
Auslegung kleiner Anlagen bis 30 kW Heizleistung ... 26
3.4.1.2
Auslegung großer Anlagen über 30 kW Heizleistung ... 29
4
Bauverfahrenstechnik und Installation der Erdwärmesonden ...30
4.1
Organisatorische Maßnahmen vor Bohrbeginn... 30
4.2
Bohrarbeiten ... 31
4.2.1
Bohrverfahren ... 31
4.2.2
Spülbohrtechnik ... 31
4.2.2.1
Spülungsmittel ... 33
4.2.2.2
Drehbohrverfahren ... 36
4.2.2.3
Drehschlagbohrverfahren ... 41
4.2.3
Trockenbohren zum Setzen des Standrohres ... 45
4.2.4
Überlagerungsbohren ... 45
4.2.5
Probenentnahmen ... 46
4.2.6
Bohrlochdurchmesser... 46
4.2.7
Bohrgeräteausrüstung ... 47
4.3
Herstellung und Prüfung von Erdwärmesonden... 50
Seite
II
Seite
4.4
Einbau Erdwärmesonden und Verfüllung des Bohrloches ... 50
4.5
Verlegen der Leitungen, Druckabsicherung, Füllen, Entlüften und Inbetriebnahme . 52
5
baubetriebliche Durchführung...53
5.1
Standardfall für die weitere Auslegung ... 53
5.2
Bohrausrüstung ... 54
5.3
Bauablauf ... 56
5.4
Arbeitskräftebedarf und Qualifizierung... 57
5.5
Bohrgeschwindigkeit ... 57
5.6
Bauzeitenplan ... 58
6
Bauwirtschaft ...60
6.1
Ausschreibungstext und Bohrpreis ... 60
6.2
Unternehmensstruktur... 61
6.3
Bestimmung der Herstellungskosten einer Erdwärmesondenanlage ... 61
6.3.1
Kosten der Ausrüstung ... 62
6.3.2
Lohnkosten ... 64
6.3.3
Materialkosten ... 65
6.3.4
Herstellungskosten... 66
6.4
Geschäftskosten ... 67
6.5
Bohrpreis und Kostendeckung ... 68
7
rechtliche Bestimmungen ...69
7.1
Bergrecht... 69
7.2
Wasserrecht ... 70
7.3
Anforderungen an das Bohrunternehmen... 73
8
Fazit...73
9
Anhang...75
9.1
Gerätestammkarten ... 75
9.1.1
Bohrgerät... 75
9.1.2
Bohrgestänge ... 76
9.1.3
Verpressgerät ... 76
9.1.4
Minibagger ... 77
9.1.5
Lkw... 78
9.1.6
Ladekran ... 78
9.1.7
Anhänger zum Bohrgerätetransport ... 79
9.1.8
Kleintransporter für Hilfsarbeiter ... 79
9.1.9
Anhänger für Minibagger ... 80
9.2
Herstellungskosten einer Erdwärmesondenanlage nach Standardfall ... 81
9.3
Diagramm Druckverlust ... 83
Literaturverzeichnis ...84
Abbildungsverzeichnis ...86
Seite
Abkürzungsverzeichnis
A
O
Fläche des Bohrlochringraums
ABC Ausbildungszentrum
A
Bohrloch
Querschnittsfläche des Bohrloches
API
American Petroleum Institute
BBergG
Bundesberggesetz vom 13. August 1980 (BGBl. I S. 1310),
zuletzt geändert durch Artikel 11 des Gesetzes von vom
Dezember 2006 (BGBl. I S. 2833)
BGL Baugeräteliste
BOP
blow - out - Preventer
bzw. beziehungsweise
ca. cirka
cm³ Kubikzentimeter
CMC Carboxy-Methyl-Cellulose-Polymer
CO Kohlenmonoxid
CO
2
Kohlendioxid
DTH
Down the hole
DVGW
Deutsche Vereinigung des Gas und Wasserfaches
DVS
Deutschen Verbandes für Schweißtechnik
EED Earth
Energy
Designer
EnEV Energieeinsparverordnung
g Gramm
Gew. %
Gewichts Prozent
HDR
Hot Dry Rock
HGB
Handelsgesetzbuch vom 10 Mai 1897 (RGBl. S. 219) zuletzt
geänd. durch Art. 1 Vorstandsvergütungs-OffenlegungsG v.
3.8.2005 (BGBl. I S. 2267)
H
v
Reibungsverlusthöhe
HwO
Gesetz zur Ordnung des Handwerks
(Handwerkskammerordnung) vom 17.09.1953, zuletzt geändert
durch Artikel 146 der Verordnung vom 31. Oktober 2006 (BGBl.
I S. 2407)
hydr hydraulisch
HDPE
High Density Polyethylen
IADC
International Association of Drilling Contractors
J Joule
K Kelvin
KDK Kraftdrehkopf
KfW Kreditanstalt
für
Wiederaufbau
kW Kilowatt
kWh Kilowattstunden
Seite
LagerstG
Gesetz über die Durchforschung des Reichsgebietes nach
nutzbaren Lagerstätten vom 4 Dezember 1934, zuletzt geänd.
durch Artikel 22 der Gesetzes vom 10. November 2001 (BGBL.
I S. 2992)
l Liter
LUNG
Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie Mecklenburg-
Vorpommern
m Meter
mm Millimeter
m² Quadratmeter
max maximal
mbar Millibar
min Minute
Mio Million
M-V Mecklenburg
-
Vorpommern
NO
2
Stickstoffoxid
Nr Nummer
PA Polyacrylamat
PJ Petajoule
P
p
Nebenverbraucher
PPA Polyacrylamid
Q Pumprate
Q
H
Gesamtwärmebedarf
S Seite
SO
2
Schwefeldioxid
Q
wp
Jahresnutzwärme
U Umdrehung
UV Ultraviolett
v
auf
Aufstiegsgeschwindigkeit
UWB Untere
Wasserbehörde
W Watt
W
el
elektrischen Energie Wärmepumpe
WHG
Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts, zuletzt geändert durch
Artikel 2 des Gesetzes vom 10. Mai 2007 (BGBl. I S.666)
WSchV`95 Wärmeschutzverordnung von 1995
z.B. zum
Beispiel
°C Grad
Celsius
Leistungszahl
Wärmepumpe
Jahresarbeitszahl
T Temperaturdifferenz
% Prozent
Euro
Seite
1 Einleitung
Für die privaten Haushalte hat sich der Verbraucherpreis für Heizöl von 26,38 /100 l im Jahr 1991
auf 53,59 /100 l im Jahr 2005 mehr als verdoppelt
1
. Der Preis für Erdgas stieg im selben Zeitraum um
50,6 %. Die Kosten zum Beheizen der Wohnung mit konventionellen Verbrennungsanlagen stiegen
dem entsprechend. In Zeiten der hohen Energiepreise und der wachsenden Unsicherheit hinsichtlich
der Energieversorgung suchen immer mehr Hausbesitzer nach Alternativen zu Öl und Gas. Besonders
herausstechend ist dabei die Entwicklung und Verbreitung der Wärmepumpentechnik. In der Schweiz,
in Österreich, den Niederlanden und den Skandinavischen Ländern hat sich das System bereits
etabliert. Nun erfolgt seit einigen Jahren der Durchbruch auf dem Deutschen Markt, dabei zeigt sich,
dass der Großteil der Wärmepumpen als Wärmequelle das Erdreich mit Hilfe von Erdwärmesonden
nutzt. Für den Heizungsbauer spielt es keine Rolle, ob er eine Wärmepumpe oder eine Gasheizung
installiert. Die erzielbaren Gewinne differenzieren kaum von einander. Um von dieser Entwicklung
dennoch zu profitieren, ohne selbes Wärmepumpen herzustellen und zu verkaufen, besteht die
Möglichkeit Erdwärmesonden einzubauen. Die Herstellungskosten der Erdwärmesonden belaufen sich
auf ca. die Hälfte der Gesamtinvestition der Heizungsanlage. Mit dem Erfolg der Wärmepumpe,
entsteht ein völlig neuer Markt für Unternehmen die Erdwärmesonden einbringen können. Innerhalb
von zehn Jahren ist der Verkauf von Wärmepumpenanlagen mit Erdwärmesonden als Wärmequelle
von 100 Stück im Jahr 1996 auf 10000 Stück im Jahr 2006 gestiegen. Der größte absolute Anstieg
wurde von ca. 12000 Neuanlagen 2005 auf ca. 28600 zum Jahr 2006, mit ca. 16600 verkauften
Wärmepumpen erzielt
2
. Darin enthalten sind allerdings mit ca. 30 % auch die Wärmepumpen
enthalten, die nicht als Wärmequelle Erdwärmesonden verwenden. Von diesem Anstieg profitieren
besonders die wenigen Bohrunternehmen, die in der Vergangenheit ihr Tätigkeitsfeld in
Aufschlussbohrungen für geologische Untersuchungen oder im Brunnenbau vorfanden und nun einer
Überflutung von Anfragen für Erdwärmesondenbohrungen ausgesetzt sind. Dadurch werden weiterhin
Wartezeiten und Kosten für die Bauherren ansteigen sowie die Gewinne der Bohrunternehmen.
Das Thema dieser Arbeit ,,Einbringen von Erdwärmesonden zur Nutzung der Erdwärme als
Unternehmensmodel in der Baubranche" ist dieser Situation geschuldet und soll Anforderungen und
Vorraussetzungen aufzuzeigen, die an ein Unternehmen gestellt sind, welches als Kerngeschäft hat,
Erdwärmesonden zur Nutzung der Erdwärme einzubringen und klären, ob sich der Einstieg in dieses
neue Marktsegment der Baubranche als gewinnbringende Unternehmung herausstellt.
Als Grundlage wird zunächst im 2. Kapitel die Erdwärme neben anderen möglichen Energiequellen
für Deutschland betrachtet und hervorgehoben. Dazu werden die aktuellen ökologischen,
ökonomischen und politischen Veränderungen dieser Zeit miteingebunden sowie der Markt analysiert,
um das Potential der Erdwärmenutzung und des Erdwärmesondeneinbringens darzustellen. Im darauf
folgenden Kapiteln werden die geothermischen Aspekte erläutert und die Bestimmung der
Sondenlänge ausführlich beschrieben. Das 4. Kapitel wird die bauverfahrenstechnischen Vorgänge
und die dazu benötigte Ausrüstung zum Erstellen der Bohrungen und zum Einbau der Sonden
aufzeigen. Im 5. Kapitel erfolgt die Zusammenstellung einer Bohranlage für einen definierten
Standardfall einer Erdwärmesondenanlage sowie die Festlegung von Arbeitszeiten und Bauablauf
eines Bohrunternehmens. Darauf basierend werden im 6. Kapitel die Herstellungskosten einer
1
Vgl.: BMWi, (2007.): Energiedaten, Tabelle 26.
2
Vgl.: iwr-pressedienst, Geothermische Vereinigung e.V Bundesverband Geothermie: Geothermie 24000 Anlagen in 2006.
Seite
Erdwärmesondenanlage aufgezeigt und in Verbindung mit den derzeit üblichen Bohrpreisen eine
Gewinnprognose für ein entsprechendes Unternehmen getätigt. Abschließend werden die im 7. Kapitel
die rechtlichen Bestimmungen für das Errichten einer Erdwärmesondenanlage dargestellt und die
behördlichen Anforderungen an das Bohrunternehmen erläutert.
2 Erdwärmenutzung für Deutschland
Die folgenden Unterpunkte sollen in die Thematik der Erdwärme einführen und aufzeigen, in welcher
Weise Unternehmen daran profitieren können. Dazu wird zunächst die Erdwärme neben den anderen
Energiequellen auf der Erde eingeordnet, um einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten der
Energieerzeugung und Nutzung zu geben Da es nicht Thema der Ausarbeitung sein soll die
Begrenztheit nichtregenerativer Energien aufzuzeigen, liegt der Schwerpunkt auf den Nutzungs-
möglichkeiten regenerativer Energiequellen. Gliederungspunkt 2.2 ,,Potential der Erdwärmenutzung in
Deutschland" stellt die momentane Situation in Bezug auf Schadstoffausstoß in Deutschland dar und
zeigt den zu leistenden Beitrag der Erdwärmetechnik zur Verringerung dessen. Zudem wird das in der
Erdwärmenutzung steckende Potential zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen
dargestellt. Gliederungspunkt 2.3 konkretisiert den Einsatz der Erdwärmenutzung auf den Bereich des
Bauwesens in Verbindung mit der Energieeinsparverordnung und erläutert in dem Zusammenhang die
Vorteile der Wärmepumpentechnik im Vergleich zu konventionellen Heiztechniken. Auf der einen
Seite wird damit die Erdwärme mit Wärmepumpe durch diese gesetzliche Verordnung gefördert und
auf der andern Seite, wie unter Gliederungspunkt 2.4 ersichtlich wird, erweist sie sich im Vergleich
mit anderen Heizungssystemen als wirtschaftlichste. Aus diesen Erkenntnissen heraus wird dann die
Entwicklung des Wärmepumpenabsatzes der letzten zehn Jahre aufgezeigt und die Möglichkeit, als
Bohrunternehmen an diesen rasant aufsteigendem Segment der Bauwirtschaft teilzuhaben, dargestellt.
Einleitend für das darauf folgende Kapitel 3 ,,Geothermie" wird unter Gliederungspunkt 2.6 die
Wärmepumpentechnik ausführlich erklärt, da diese die Vorraussetzung zur Nutzbarmachung der
oberflächennahen Erdwärme darstellt.
2.1
Energiequellen, Erscheinungsformen und Nutzung
Alle sich auf der Erde befindliche Energie wird den drei Primärenergiequellen Sonne, Erdwärme, und
Planetengravitation zugeordnet. Dessen Erscheinungsformen und Wirkungen lassen sich, einzeln und
zusammen wirkend zuordnen. Die folgende Darstellung erläutert dies.
nuklear
nicht nuklear
Atomkerne
Sonnenenergie
Erdwärme
Fusion Spaltung
Planetengravitat
-ion und -
bewegung
Energie-
vorräte
bzw. -
quellen
vergangene solare
Strahlung
gegenwärtige solare
Strahlung
Licht Kohle
Globalstrahlung Wärme Gezeiten
Wärme Erdöl
Wärme
der
Atmosphäre
Erdgas
Wärme der Meere
sonst. fossil biogene
Energieträger
Wärme in der
Erdoberfläche
Verdunstung und
Niederschlag
Wind
Wellen
Meeresströmung
Biomasse
nichtregenerative Energien bzw. - träger
regenerative Energien bzw. - träger
Ener
gi
eersc
hei
nu
ng
sf
or
me
n b
zw.
ih
re
W
irk
ung
Seite
Abb. 1: Energiequellen
Die Abbildung verdeutlicht lediglich die wesentlichen Zusammenhänge, um einen Einstieg in die
Thematik zu geben. Eine eindeutige Zuordnung ist aufgrund der Komplexität, der gegenseitigen
Beeinflussung der Energiequellen nicht möglich. Die Erscheinungsform Wind, resultiert
beispielsweise unter anderem aus Atmosphärenbewegung, die durch Planetenbewegung,
Sonneneinstrahlung als auch von Wärmeenergie des Erdreiches hervorgerufen wird. Die Bezeichnung
regenerative bzw. nicht regenerative Energie ist abhängig vom betrachteten Zeitraum. So ist die
solare Strahlung der Sonne irgendwann erschöpft, jedoch für menschliche Dimensionen
unerschöpflich also regenerativ. Um die regenerativen Energiequellen und ihre Erscheinungsformen
umzuwandeln in End.- und Nutzenergie, kommen in Deutschland im Wesentlichen folgende
Verfahren zur Anwendung.
2.1.1 Solarenergie
Von der Sonne geht Energie-Strahlung aus, die auf der Erde direkt oder indirekt genutzt werden kann.
Direkt durch Sonnenkollektoren zur Bereitstellung von Wärme, oder durch Photovoltaikanlagen zur
direkten Umwandlung in elektrischen Strom. Indirekt, durch den globalen Wasserkreislauf gespeiste
Wasserkraftwerke, oder durch die Atmosphärenbewegung auftretende Winde mit dessen
Bewegungsenergie Windkraftwerke arbeiten. Biomasse entsteht durch Prozess der Photosynthese,
wofür Sonneneinstrahlung die Voraussetzung bildet. Daher ist Biomasse ebenfalls indirekt
Solarenergie die durch Verbrennungs- oder Vergärungsanlagen mechanische, chemische, thermische
und/oder elektrische Energie liefert
3
.
2.1.2 Erdwärme
Erdwärme wird genutzt zur Bereitstellung von thermischer, mechanischer oder elektrischer Energie.
Aufgrund der Gegebenheiten in Deutschland hat sich vorerst die Nutzung von Wärme, die mit Hilfe
von Wärmepumpen bereitgestellt wird, etabliert sowie eine großtechnische Nutzung der
Tiefengeothermie zur Wärmebereitstellung für Fernwärme und Industriewärme aber auch
Stromerzeugung durch Wärme-Kraft-Kopplung
4
.
2.1.3 Planetenbewegung
Durch die Planetenbewegung und -gravitation verursachten Gezeiten, wird mit Strömungskraftwerken
bei Tiedenhub Wasser aufgestaut, bei Niedrigwasser wieder abgelassen und mittels Turbinen
elektrischer Strom erzeugt
5
. Diese Technik leidet jedoch unter hoher Korrosionsanfälligkeit und
beeinträchtigt das Ökosystem. Außerdem sind diese Systeme, für Deutschland aufgrund der geringen
Strömungsgeschwindigkeiten an Nord- und Ostsee für den Energiemarkt uninteressant
6
.
2.2
Potential der Erdwärmenutzung in Deutschland
Die von den zurzeit genutzten Primärenergieträgern in Deutschland ausgehenden Gefahren auf die
Umwelt, bestehen zum einen aus deren ordnungsgemäßen Nutzung und den dadurch freigesetzten
Stoffen und zum anderen aus Transport, Lagerung und Gewinnung der Rohstoffe. 2005 wurden 795
3
Vgl. Kaltschmitt, M.;W. Streicher; A. Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien 2006, Kapitel 3 und 4.
4
Vgl. Kaltschmitt, M.;W. Streicher; A. Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien 2006, Kapitel 8 und 9.
5
Vgl. Kaltschmitt, M.;W. Streicher; A. Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien 2006, Anhang A.2.1 Gezeitenkraftwerke.
6
Vgl. Gailfuss, M.; BHKW - Infozentrum Rastatt: Meeresströmung , Rastatt.
Seite
Raumwärme
Warmwasser
sonstige Prozesswärme
mechanische Energie
Beleuchtung
Mt (CO
2)
Kohlendioxid, 1.263 kt (NO
2
)Stickstoffoxide, 448 kt (SO
2
)Schwefeldioxid, 3464 kt (CO)
Kohlenmonoxid und 108 kt Staub freigesetzt
7
. Durch den Einsatz moderner Technik und dem
Rückgang des Kohleverbrauchs, konnten diese beiweiten geringeren Werte im Vergleich zu 1990
erreicht werden als noch 948 Mt (CO
2),
2.728 kt (NO
2
), 5.258 kt (SO
2
), 11.443 kt (CO) und 2.343 kt
Staub emittiert wurden. Auslöser dieser Entwicklung sind die Umweltschutzauflagen, die durch den
Gesetzgeber insbesondere schon in den siebziger und achtziger Jahren eingeführt wurden. Die
Wärmepumpentechnik in Verbindung mit Erdwärmesonden kann helfen, weitere Einsparungen zu
erreichen. So wurde in einer Studie zum Baden-Württembergischen Förderprogramm
,,oberflächennahe Geothermie" aufgezeigt, wie sich durch die Förderung von Erdwärmesonden und
Wärmepumpen hohen Einsparungen im CO
2
Ausstoß erreichen lassen. Durch die Installation von ca.
1458 geförderten Anlagen konnte eine CO
2
- Einsparung von 6380 t pro Jahr erreicht werden
8
. Dieses
Einsparungspotential erscheint zunächst von nicht wesentlicher Bedeutung zu sein, hält jedoch die
derzeitige Entwicklung von jährlich 24000 verkauften Wärmepumpen an
9
, ergeben sich durchaus
nennenswerte Einsparungen. Nach Einschätzung des Energiereport IV von 2005
10
,,Die Entwicklung
der Energiemärkte bis zum Jahr 2030" steigt der Weltenergieverbrauch zukünftig um 60 %. Durch die
damit verbundene Erhöhung der Nachfrage und die Begrenztheit der fossilen Energieträger, sowie den
Anforderungen aus den Kyoto Protokoll zur Senkung der CO
2
Emissionen, wird der Einsatz
alternativer Energien unausweichlich. Im Jahr 2005 lag in Deutschland der Endenergieverbrauch bei
9.299,4 PJ
11
. Davon wurde zur Erzeugung von Raumwärme 32,0 %, für Warmwasser 5,1 %, für
sonstige Prozesswärme 20,8 % für Beleuchtung 2,0 % und für mechanische Energie 40,1 % benötigt.
Daraus ergibt sich, dass für die Wärmeerzeugung im Allgemeinen am meisten Energie verbraucht
wird, nämlich 57,9 %. Speziell bei den privaten Haushalte, die im Jahr 2005 2.731,5 PJ Endenergie
verbrauchten, ist festzustellen, dass 86,5 % davon für Raumwärme und Warmwasser zur Anwendung
kam. Die Erdwärmetechnik birgt in diesem Bereich ihr größtes Potential als direkter Wärmelieferant
und hilft somit, die Abhängigkeit von den fossilen Energieträgern zu verringern. Unter den
regenerativen Energieträgern hat die Erdwärme einen besonderen Stellenwert, da sie im Gegensatz zur
Solarthermie unabhängig von Wind, Wetter, Tag und Nacht zur Verfügung steht.
2.3
Begünstigte Heizungsanlagen der EnEV
Mit der Energieeinsparverordnung (EnEV) aus dem Jahre 2002 trägt der Gesetzgeber dem bisher
dargestellten Sachverhalt zur Einsparung von Primärenergieträgern und der Reduzierung des CO
2
7
Vgl. BMWi, (2007.): Energiedaten, Tabelle 9.
8
Vgl. Sawillion, M.: baden-württembergisches Förderprogramms, Kapitel 5.
9
Vgl. Erdwärmezeitung, iwr-pressedienst, Geothermie (Erdwärme) 24000 Anlagen in 2006.
10
Vgl. Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (2005), Energiereport IV,S. V.
11
Vgl. BMWi, (2007.): Energiedaten, Tabelle 7.
Abb. 2:Verteilung des Endenergieverbrauches
Seite
Ausstoßes Rechnung, indem bestimmte Anforderungen erfüllt werden müssen, um eine
Baugenehmigung zu erhalten. Die Verordnung betrachtet den gesamten Primärenergiebedarf eines
Hauses und ist damit ein Instrument des Gesetzgebers zur Senkung des Energieverbrauchs von
Gebäuden und des CO
2
Ausstoßes. Grundsatz ist die Bewertung der Endenergie, durch Einstufung der
dafür benötigten Primärenergie. So wird beim Einsatz von Strom zum Heizen berücksichtigt, dass
damit 300 % der Primärenergie erforderlich ist, um 100 % Endenergie im Gebäude zu erhalten. Bei
Strom liegt dieser Verlust bei der Umwandlung im Kraftwerk begründet. Gas benötigt beispielsweise
nur 110 % Primärenergie um 100 % Endenergie in Form von Wärme bereitzustellen, da es direkt im
Gebäude verbrannt wird und nahezu die gesamte im Gas enthaltene Energie in Wärme umgewandelt
werden kann. Die Wärmeschutzverordnung von 1995 (WSchV`95), als Vorgänger der EnEV stellte
lediglich Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz und forderte somit einen
Mindestwärmeschutz, welcher weiterhin Gültigkeit besitzt, aber die Effizienz der Anlagentechnik
außer Acht lässt.
Die EnEV verbindet die Aspekte der Anlagentechnik mit den Aspekten des baulichen Wärmeschutzes
und bietet Planern dadurch die Möglichkeit selbst zu entscheiden, wie der Jahresprimärenergiebedarf
eines Gebäudes eingehalten wird. Ihm steht offen, ob er über eine hohe Wärmedämmung den Jahres -
heizwärmebedarf senkt oder durch eine geringe Anlagenaufwandszahl einer besonders effektiven
Heizungsanlage. Hier hat die Wärmepumpentechnik große Vorteile, weil sie am effektivsten arbeitet,
indem sie auf wenig Primärenergie angewiesen ist. Das heißt, die Wärmepumpe ist nicht auf fossile
Brennstoffe angewiesen, sondern holt sich die Energie aus der Umgebung, indem sie ihr Wärme
entzieht, wie zum Beispiel dem Erdreich oder der Luft. Dieser Vorgang benötigt in den meisten
Fällen Strom oder mechanische Energie zur Verdichtungsarbeit des Kompressors, welche aus
Primärenergieträgern stammt. Es wird zwar schon Primärenergie verwendet, jedoch im viel geringeren
Maße. Die Endenergie besteht dann zum einen Teil aus regenerativen Energieträgen und zum anderen
Teil aus Primärenergieträgern. Daher ist es möglich, mit Wärmepumpen Anlagenaufwandszahlen
unter 1,00 zu erreichen und somit an der Wärmedämmung des Gebäudes zu sparen oder auch
Niedrigenergiehäuser zu realisieren. Das KfW Programm ,,Ökologisch Bauen"
12
fördert die Errichtung
von KfW Energiesparhäusern 40 und 60, indem günstige Kredite in Aussicht gestellt werden. Ein
Energiesparhaus 60 darf unter anderem, den Jahres-Primärenergiebedarf von 60 kWh pro m²
Gebäudenutzfläche nicht überschreiten. Um diese Vorgaben zu erfüllen, muss das Haus sehr gut
gedämmt und mit einer effektiven Heizungsanlage ausgestattet sein. Diese Anforderungen werden
derzeit am effizientesten von der Wärmepumpentechnik erfüllt. Andere Heizsystemsysteme mit den
erforderlichen niedrigen Anlagenaufwandszahlen erweisen sich, wie dem folgenden Abschnitt zu
entnehmen ist als zu kostenintensiv.
2.4
Vergleich mit anderen Heizungssystemen
Derzeit existieren vielfache Berechnungen und Empfehlungen, die analysieren, welches
Heizungssystem sich derzeit am wirtschaftlichsten erweist. Als unabhängige Zeitung wird nun ein
Artikel der Focus Online angeführt, in dem aktuelle Berechnungen von 2007 veröffentlicht sind, aus
denen hervorgeht, welche Heizungsanlagen derzeit die wirtschaftlichsten und preiswertesten sind
13
.
Dazu wurde für einen typischen Muster Einfamilienhausneubau mit 120 m² und jährlich 50 kWh/m²
Energiebedarf die Anschaffungskosten und laufenden Betriebskosten für verschieden
Heizungssysteme kalkuliert.
12
Vgl. KfW Förderbank: Ökologisch Bauen.
13
Vgl. Lepper, R. FOCUS-Online (2007): Heizkosten.
Seite
Die Anschaffungskosten der Heizanlagen
Heizsystem
Gas-
Brennwert-
Therme
Öl-
Brennwert-
Therme
Holzpellet-
Heizung
Gastherme,
Solarkollektoren
Wärmepumpe
mit Erdsonden
Gerät, Regelung, Zubehör,
Speicher, Fördertechnik
5000 5600 11
500 5000
8900
Schornstein
1300
1200
Installation 1000
1000
1300
1900
1200
Energieanschlüsse, Tanks,
Lagerraum vorhanden,
Kollektoren, Absorber
1800 1500
7800
2800
abzüglich Förderung
1000
700
Investitionskosten
insgesamt
7800
9400
13 000
14 000
12 900
Abb. 3a: Die Anschaffungskosten der Heizanlagen
Für die Berechnung der Gesamtkosten und laufenden Betriebskosten wurde angenommen, dass der
Energiekosten-Grundpreis für Gas 240
Euro und 50
Euro für Wärmepumpe beträgt. Die
Wartungskosten nach VDI 2067 zwischen 0,5 und 1,25 Prozent des Anschaffungswertes und der
Energiepreise/kWh für Gas 7 Cent, Öl 5,9 Cent, Pellet 5,1 Cent, Wärmepumpenstrom 12 Cent und
Strom im Normaltarif 18 Cent beträgt. Jahreswirkungsgrad für Öl 93 %, Gas 97 %, Pellet 90% und als
Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe in Verbindung mit der Wärmequelle Erdreich 4,2. Die
Wirtschaftlichkeitsberechnung wurde nach der Annuitätenmethode aufgestellt und die Abschreibung
auf 20 Jahre Lebensdauer nach VDI 2067 sowie 50 Jahre für den Schornstein und 40 Jahre für die
Erdsonde. Im Weiteren wurden Zinskonditionen von 4,5 Prozent sowie 10 m² große Solarkollektoren
und 35° C Heizwasservorlauftemperatur in Verbindung mit Fußbodenheizung angenommen. Auf
Basis dieser Annahmen ergeben sich folgende Werte.
Die Gesamtkosten der fünf Heizsysteme
Heizsystem
Gas-
Brennwert-
Therme
Öl-
Brennwert-
Therme
Holzpellet-
Heizung
Gastherme,
Solarkollektoren
Wärmepumpe
mit Erdsonden
Heizenergie pro Jahr
9794 kWh 10 215 kWh 10 556 kWh
6790 kWh
2317 kWh
Reglerstrom pro Jahr
600 kWh
600 kWh
800 kWh
650 kWh
540 kWh
Energiekosten, inkl.
Grundpreis (in Euro)
1033 711 682
832
393
Instandhaltung,
Versicherungen etc.
(in Euro)
180 300 260 250
60
Abschreibung, Zinsen
(in Euro)
558 722 876 1080
884
Wärmekosten (in
Euro)
1771 1733 1818 2162
1337
Stand: 1.2.2007
Abb. 3b: Die Gesamtkosten der fünf Heizsysteme
Günstigstes Heizsystem ist demnach die Erdreichwärmepumpe. Die Investitionskosten sind zwar
deutlich höher als beispielsweise für eine Gas Brennwerttherme, aber durch die geringen Kosten im
laufenden Betrieb, ergibt sich für die gesamte prognostizierte Nutzungsdauer eine Vorteil von 434
pro Jahr im Vergleich zur Gas-Brennwerttherme.
Der Erfolg der Wärmepumpentechnologie am Markt ist von der Entwicklung des Strompreises im
Verhältnis zu den anderen Primärenergieträgern abhängig. Steigt der Strompreis, liegt dies
Seite
größtenteils darin begründet, dass sich die Primärenergieträger wie Öl, Gas und Kohle verteuern.
Damit steigen auch die Kosten der konventionellen Heizungssysteme, so dass die Wärmepumpe im
Vergleich der laufenden Kosten immer besser abschneiden wird. Aus dem Energiereport 4 des
energiewirtschaftlichen Institutes der Universität zu Köln von 2005 geht hervor, wie sich die
Strompreise bis 2030 voraussichtlich Entwickeln werden. Dabei wurde berücksichtigt, dass die
weltweite Nachfrage nach Primärenergieträgern stark steigen und analog die Kosten für Öl, Gas und
Kohle. Die daraus resultierende Verteuerung des Stroms wird aber kompensiert durch Verbesserung
der Wirkungsgrade der Stromkraftwerke, so dass der reale Strompreis für Haushalte bei ca. 14 Cent /
kWh (auf Eurobasis 2000) liegen wird
14
. Dies bedeutet für die Wärmepumpentechnik ebenfalls eine
Erhöhung der Effektivität, da zur Erzeugung des Stroms zum Anlagenbetrieb weniger Primärenergie
erforderlich wird. Dagegen bekommen konventionelle Heiztechniken die Verteuerung der Rohstoffe
voll zu spüren und werden damit im Gegensatz zur Wärmepumpe noch unwirtschaftlicher.
2.5
Partizipieren am Markt
Der Markt für Wärmepumpen in Verbindung mit Erdwärmesonden wächst kontinuierlich. Abb.5
verdeutlicht die Entwicklung des Verkaufs von Wärmepumpen und derer Ausführung mit
Erdwärmesondenanlagen. So wurden 1996 lediglich 100 Wärmepumpen mit Erdwärmesondenanlagen
eingerichtet. Zehn Jahre später teilt die Wärmepumpenindustrie Verkaufszahlen des Jahres 2006 mit,
in dem der Verkauf von Wärmepumpenanlagen auf 28600 gesteigert hat
15
. 2004 Betrug er Anteil an
Wärmepumpen die als Wärmequelle das Erdreich nutzen ca. 50%. Wenn davon wiederum 70 % der
14
Vgl. Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (2005), Energiereport IV, Kapitel 4, Strompreisentwicklung.
15
Vgl.: iwr-pressedienst, Geothermische Vereinigung e.V Bundesverband Geothermie: Geothermie 24000 Anlagen in 2006.
Abb. 4: Strompreisentwicklung
Seite
Anlagen Erdwärmesonden bedürfen, ergibt sich eine Anzahl von ca. 10.000 Stück. Aus dem Baden-
Württembergischen Förderprogramm ,,Oberflächennahe Geothermie"
16
geht hervor, dass
durchschnittlich 2,1 Erdwärmesonden mit 95 m Länge zu einem Preis von durchschnittlich 57,5
/Bohrmeter je Wärmepumpenanlage verbaut wurden. Abgeleitet aus diesen Ergebnissen und
kombiniert mit der oben genannten Stückmenge, ergibt sich ein Gesamtvolumen von ca. 2.000.000
Bohrmetern und damit ca. 115 Mio. Euro Umsatzerlös für das Jahr 2006.
Die wenigen Bohrfirmen, die in der Vergangenheit nahezu ausschließlich Brunnenbohrungen und
Aufschlussbohrungen ausgeführt haben und diese Nachfrage weiterhin bedienen müssen, sind mit den
zusätzlichen Anfragen für oberflächennahe Geothermiebohrungen überlastet, so dass Bauherren mit
steigenden Preisen und Wartezeit von derzeit über einem halben Jahr zu rechnen haben.
Das Handwerk bildet in Norddeutschland nur an zwei Ausbildungstandorten Fachkräfte aus, die in der
Lage sind und die Berechtigung erhalten, Bohrungen für Erdwärmesonden auszuführen. Zum einen in
Bad Zwischenhain am ABC Rostrup und zum anderen bei Berlin am ABC Friesack.
Zusammengezählt werden jedes Jahr ca. 60 Spezialtiefbauer ausgebildet. In diesem Bereich wurde
bislang nicht berücksichtigt, dass die Nachfrage an Bohrungen und gleichzeitig an qualifizierten
Arbeitskräften stark gestiegen ist. Seit 2007 findet, unter Druck der Industrie, ein Umdenken statt und
es wird an den Ausbildungszentren nach Möglichkeiten gesucht, der Nachfrage gerecht zu werden,
beispielsweise durch Verringerung der Einstiegsbeschränkungen für Quereinsteiger. Traditionell
versucht sich das Handwerk gegen aufkommende Konkurrenz zu wehren. So wird derzeit diskutiert,
einen Lehrgang einzurichten, der speziell auf das Einbringen von Erdwärmesonden ausgerichtet sein
soll und die Komplexität des Brunnenbauens außer Acht lässt. Hieraus ergeben sich gute
Möglichkeiten für Existenzgründer als Unternehmern an diesem neuen Markt zu profitieren, indem
sich dieses speziell darauf ausrichtet, Bohrungen für Erdwärmesondern anzubieten und auszuführen.
16
Vgl.: Sawillion, M.: Baden-Württembergisches Förderprogramm.
Abb. 5: Wärmepumpen Absatz 2004
Seite
2.6 Die
Wärmepumpe
2.6.1
Funktionsweise von Wärmepumpe
Wie dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße, unterliegt auch der Wärmefluss vom warmen zum
kalten und vom kalten zum warmen Medium, diesem. Die Temperatur der Erde, der Luft oder des
Grundwasser sind in der Regel zu gering, um direkt genutzt zu werden. Um die Wärme auf geringem
Niveau nutzbar zu machen, muss sie auf ein höheres Niveau gebracht werden. Dies ist die Aufgabe der
Wärmepumpe.
Es wird also Wärme dem umgebenden Medium entzogen und dann dem abgeschlossenen System, ein
Haus beispielsweise, komprimiert, auf höherem Niveau, zugeführt. Dies geschieht durch den
Kältemittelkreislauf
17
der in folgender Abbildung dargestellt wird.
1. Verdampfer
Bei Punkt 1 in der Darstellung verdampft das Kältemittel R407c und kühlt die Wärmequelle um 4°C
ab. Die Wärme des Wärmequellenkreislaufes überträgt sich auf den Kältemittelkreislauf. Die
Besonderheit dieses Kältemittels ist, dass es schon bei 2°C und 2,8 bar verdampft. Durch die
Änderung des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig wird der Quelle zusätzlich Energie
entzogen. In diesem Beispiel wird 75 % des Gesamtheizwärmebedarfs des Heizsystems durch die
Wärmequelle bereitgestellt.
2. Kompressor
Im Kompressor wird das gasförmige Kältemittel verdichtet und somit auf ein höheres
Temperaturniveau gehoben. Nach der Verdichtung hat das Kältemittel eine höhere Temperatur, als
17
Vgl. Junkers, Bosch Gruppe: Erdwärmepumpen, Seite 4.
Abb.6: Prinzipschema Kältemittelkreis mit Kältemittel R407c.
Seite
dies erforderlich für Heizung und Warmwasser ist. Die Verdichtung erfolgt mittels Elektromotoren
oder Verbrennungsmotoren, wobei für Erstere der Kraftwerkswirkungsgrad zur Stromerzeugung in der
Energiebilanz berücksichtigt wird. Die Wärme, welche beim Antrieb des Kompressors entsteht, fließt
mit in den Wärmekreislauf ein, wodurch hierbei die restlichen 25 % der Wärme fürs Heizungssystem
erlangt werden.
3. Verflüssiger
Der Verflüssiger wird auch Kondensator genannt, weil hier das unter hohem Druck stehende,
gasförmige Kältemittel kondensiert und dabei Wärme an das Heizsystem abgibt. Dies erfolgt, wie
auch beim Verdampfer, über einen Wärmetauscher, bestehend aus Platten oder
Rohrbündelwärmeüberträger. Das Kältemittel kühlt nun von 88°C auf 50°C im Verflüssiger herunter
und ist nun flüssig, steht aber immer noch unter 23,5 bar Druck.
4. Expansionsventil
Um im Verdampfer wieder Wärme auf niedrigen Niveau aufnehmen zu können, strömt das Kältemittel
durchs Expansionsventil, entspannt sich auf den Ursprungsdruck von 2,8 bar und hat letztendlich dann
eine Temperatur von 4,5 °C. Somit kann der Prozess wieder von vorn beginnen.
Der ganze Prozess spielt sich immer an der Grenze der Aggregatzustände von flüssig zu gasförmig ab.
Das Wärmepumpenverfahren stellt eine sichere und zuverlässige Möglichkeit zur Nutzung von
Wärmequellen bzw. Wärmespeichern dar. Zum Beispiel findet das Verfahren seit Jahrzehnten, in
entgegen gesetzter Weise, Anwendung bei Kühlschränken. Die Wärmequelle ist der Kühlschrank, dem
Wärme entzogen wird und dann über den Kältemittelkreislauf an den umgebenden Raum abgegeben.
Diese Arbeitsweise findet besonders im Bereich der Büro - und Geschäftsgebäude Anwendung, wenn
gekühlt werden soll. So kann mit erdgekoppelten - Wärmepumpensystemen dem Gebäude auch
Wärme entzogen und dem Erdreich zugeführt werden. Dieses kann die Wärme speichern
und zur
Wärmebereitstellung im Gebäude wieder abgeben.
2.6.2
Effizienz von Wärmepumpen
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Jahresarbeitszahl dargestellt. Diese ergibt sich aus
dem Verhältnis von der Gesamten, durch die Wärmepumpe bereitgestellten Jahresnutzwärme Q
wp
und
der innerhalb eines Jahres aufgenommenen elektrischen Energie W
el
zum Betrieb. Eine Wärmepumpe
mit der Jahresarbeitszahl von 4 benötigt ¼ kWh elektrische Energie zur Bereitstellung von 1 kWh
Wärme. Bei = Q
wp/
/W
el
zum Beispiel für ein typisches Einfamilienhaus mit 15000 kWh/a benötigter
Jahresnutzwärme und Wärmepumpenanlage mit einer Jahresarbeitszahl von 3,5 benötigt W
el
= Q
wp
/ =
15000/3,5 = 4385,7 kWh elektrische Energie. Des Weiteren gibt es als Ergänzung die Leistungszahl ,
als Kennzahl für Wärmepumpen bei speziell definierten Bedingungen, um diese untereinander zu
vergleichen. Die Leistungszahl stellt das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung P
H
zur
aufgenommenen elektrischen Antriebsleitung des Kompressors P
el
dar und wird auch als COP (engl.
Coefficient Of Performance) bezeichnet - = P
H
/ P
el
. Überschlägig lässt sich die Leistungszahl für
moderne Anlagen auch über die Temperaturdifferenz T zwischen Wärmequelle und Heizsystem mit
der Formel = ((T+273)/T) /2 bestimmen. Daraus ergibt sich auch der Vorteil von
Fußbodenheizungen in Verbindung mit Wärmepumpen, da die Vorlauftemperatur mit ca. 35°C
geringer ist als bei Radiatoren mit üblicherweise 50°C. Zum Beispiel bei der Wärmequelle Erdreich
mit 0°C (übers Jahresmittel durch Wärmeentzug) und einer Vorlauftemperatur des Heizsystems von
50°C ergibt sich eine Leistungszahl von = ((50+273)/50) /2 = 3,23 und bei einer Fußbodenheizung
mit 35°C eine Leistungszahl von = ((35+273)/35) /2 = 4,40 und bei Fußbodenheizung und der
Seite
Wärmequelle Grundwasser mit ca. 10°C sogar eine Leistungszahl von = ((25+273)/25) /2 = 5,96. Es
gilt also generell, umso geringer die Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Verbraucher, umso
weniger muss der Kompressor leisten wodurch Stromkosten eingespart werden.
2.6.3
Wärmequellen für Wärmepumpen
Wie bereits erwähnt, lassen sich mit Wärmepumpen verschiedene Wärmequellen nutzen. Zum einen
besteht die Möglichkeit Erdwärmekollektoren, großflächig horizontal in einer Tiefe von 1,20m bis
1,50 zu verlegen. Hierbei wird fast ausschließlich solare Energie genutzt, welche oberflächennah in
den Warmperioden des Jahres von der oberen Bodenschicht gespeichert wurde. Zum anderen wird
über Erdsonden, die vertikal bis zu einer Tiefe von 150 m installiert werden, geothermische Wärme
des Erdinneren gewonnen. Es handelt sich hierbei um geschlossene Systeme, in denen ein Gemisch
aus Wasser und Frostschutzmittel, auch als Sole bezeichnet, zirkuliert. Vorteil der Kollektoren
gegenüber den Erdsonden ist der kostengünstigere Einbau, jedoch generieren sie einen hohen
Platzbedarf und es besteht nicht Möglichkeit des Überbauens der Fläche. Die Leistung der Anlagen ist
abhängig von den geologischen Verhältnissen vor Ort, so dass nicht pauschal ein Meter Sondenlänge,
oder ein Quadratmeter Kollektorfläche der spezifischen Heizlast des Gebäudes zugeordnet werden
kann. Dazu wird im Kapitel 3 ,,Geothermie" näher eingegangen und der Wärmefluss im Erdreich in
Abhängigkeit von der Geologie dargestellt. Fest steht jedoch, dass durch die jahreszeitlich relativ
gleichmäßigen Temperaturen des Erdreiches sich hohe Wirkungsgerade der Wärmepumpe erzielen
lassen, wenn die Wärmequellenanlage nicht unterdimensioniert wurde.
Anders verhält sich dies bei der Wärmequelle Außenluft. Zwar können diese Anlagen aus technischer
Sicht auch das ganze Jahr betreiben werden, jedoch wenn im Winter Temperaturen von -14°C zu
erwarten sind und gleichzeitig sehr hohe Mengen an Heizwärme bereitgestellt werden muss, führt dies
zu einer sehr großen Auslegung der Anlage und der Notwendigkeit elektrischer Zuheizer an solchen
Tagen mit Spitzenlast, was wiederum zu Unwirtschaftlichkeit dieser Systeme führt. Aus dem Grund
sind Wärmepumpen, die als Wärmequelle die Außenluft nutzen, vorzugsweise in Gebieten
einzusetzen mit relativ hoher Außentemperatur im Jahresmittel.
In dem Zusammenhang sei auch die Möglichkeit genannt, die Abluft eines Gebäudes als ergänzende
Wärmequelle zu verwenden. Das System arbeitet mit Abluftkollektoren, die der Abluft Wärme
entziehen und über Wärmetauscher und Wärmepumpensystem dem Gebäude wieder zuführen. Der
Abluftkollektor erzeugt einen Unterdruck im Gebäude zum Ansaugen der Abluft, wozu eine exakte
Planung der Lüftung und Dichtheit der Gebäudehülle gewährleiste sein muss, da ansonsten erhöhter
Luftzug die Wohnqualität mindert.
Des Weiteren gilt die direkte Nutzung des Grundwassers als sehr effiziente Wärmequelle, da
Grundwasser eine hohe spezifische Wärmekapazität und ein konstantes Temperaturniveau von 8 bis
12°C aufweist. Allerdings sind die Vorraussetzungen, eines ausreichend ergiebigen Grundwasserleiter
nicht überall gegeben. Da es sich hierbei um ein offenes System handelt, bei dem aus einem
Förderbrunnen Grundwasser entnommen, in der Wärmepumpe zur Wärmeübertragung genutzt und
dann in einen oder mehreren Schluckbrunnen zurückgeleitet wird, besteht die Gefahr der Grundwasser
Verunreinigung, weshalb vielfach wasserrechtliche Bestimmungen die Nutzungsgebiete einschränken.
Wegen des erheblichen Aufwandes des Betriebes und der Einrichtung, wird die Grundwassernutzung
vornehmlich für größere Objekte eingesetzt und nicht bei kleineren wie Ein.- und Zweifamilienhäuser,
die den Focus der Betrachtung in dieser Arbeit darstellen.
Seite
3 Geothermie
Die folgenden Gliederungspunkte sollen aufklären, wie die Wärme im Erdreich entsteht und wie diese
genutzt werden kann. Dazu wird unter Punkt 3.1 die Quelle der Wärme erläutert, in Kapitel 3.2 die
Temperatur- Tiefenverteilung und der Wärmefluss in der oberen Erdkruste dargestellt, in Kapitel 3.3
die technischen Nutzungsmöglichkeiten für Erdwärme aufgezeigt, um abschließend in Kapitel 3.4 auf
die besondere Möglichkeit der Nutzung mit Hilfe von Erdwärmesonden einzugehen.
3.1
Wärmequelle im Erdinneren
Die im Erdinneren enthaltene Wärme resultiert hauptsächlich aus der Gravitationsenergie der
aufeinander prallenden Massen, welche sich bei der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren, in
Wärme umwandelte. In diesem Zeitraum strahlte sie zum großen Teil in den Weltraum ab
18
. Zu dieser
Ursprungswärme addiert sich die Wärme aus dem natürlichen Zerfall langlebiger, radioaktiver
Isotope, die kumuliert ca. 12 bis 24 · 10
30
J Wärme entsprechen und im Erdkörper enthalten ist. Die
potentielle Wärmeproduktion aus dem zukünftigen Zerfall beträgt 12 · 10
30
J oder 30 · 10
30
J je nach
Verteilung, da die Menge an radioaktiven Isotopen im Erdinneren nicht genauer bestimmt werden
kann. Der an der Oberfläche messbare Wärmefluss in kontinentalen Gebieten besteht zu 50 bis 80 %
aus radiogenen Prozessen in der Erdkruste und nur zu 20 50 % aus dem Energiezufluss von tieferen
Schichten. Genaue Messwerte der Temperatur, oder der stofflichen Zusammensetzung, sind nur von
der oberen Erdkruste durch Tiefenbohrungen, Untersuchung von Gesteinen die durch magmatische
und tektonische Prozesse an die Oberfläche transportiert wurden und der Analyse seismographischer
Wellen vorhanden. Die seismographischen Untersuchungen geben zudem auch Aufschluss über die
Dichteverhältnisse im Erdinneren. Zusätzlich wurde durch Berechnungen über die Gesamtmasse der
Erde, die sich durch ihre Gravitationskräfte auf andere Himmelskörper ergibt, eine mittlere Dichte von
5,52 g/cm³ ermittelt. Aus den Untersuchungen der Erdkruste konnte jedoch nur eine mittlere Dichte
von 2,8 g/cm³ festgestellt werden, so dass dies schon auf wesentlich höhere Dichten im Erdinneren
hinweist, was auch an der Untersuchung von Meteoriten nachvollzogen wurde
19
. Der Aufbau der Erde
ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
18
Vgl. Rummel, F; O. Kappelmeyer (Herg.): Energieträger der Zukunft?, Seite 9.
19
Vgl. Kaltschmitt, M. ; E. Huenges, H. Wolff (Herg.): Energie aus Erdwärme; Seite 26 31.
Abb. 7:
Aufbau der
Erde
Seite
3.2
Temperatur- Tiefenverteilung und Wärmefluss
3.2.1
Wärmefluss aus dem Erdinneren
Der Wärmefluss wird unterschieden in einen konduktiven Anteil, der aus dem Erdinneren über festes
Gestein geleitet wird und in einen konvektiven Anteil, dessen Transport durch Flüssigkeiten geschieht.
Der konduktive Anteil ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Gesteine, die unter anderem von
der chemisch mineralogischen Zusammensetzung, der Dichte, der Kornkontakte und Porosität
bestimmt wird. Für den konvektiven Wärmestrom ist die Strömungsgeschwindigkeit der Fluide im
Gestein von Bedeutung, die nach Darcy unter Berücksichtigung der Permeabilität also der
Durchlässigkeit, der Viskosität und des Druckunterschiedes, berechnet werden kann. Die Temperatur-
Tiefenverteilung in der oberen Erdkruste wurde mit Tiefenbohrungen an verschiedenen Punkten der
Erde gemessen
20
. Für Deutschland ergibt sich daraus folgender mittlerer Temperaturanstieg mit
zunehmender Tiefe:
Die Grafik verdeutlicht den mittleren Temperaturgradienten für Deutschland von ca. 30°C pro
Kilometer in die Tiefe. In vielen Regionen der Erde ist dies, je nach geothermischer Anomalie und
tektonischer Aktivität, anders. In Island, einem jungen Krustengebiet herrschen in einigen hundert
Meter 1000°C, im Gegensatz zu alten Erdkrustengebieten wie Südafrika wo in 3 Kilometer tiefen
Goldbergwerken nur 60°C gemessen werden.
Der natürliche Wärmestrom p (Wärmestromdichte) vom Erdinneren zur Erdoberfläche ergibt sich aus
der Wärmeleitfähigkeit k der anstehenden Erdschichten, multipliziert mit dem Temperaturgradienten
T/z. Für Deutschland errechnet sich mit der mittleren Wärmeleitfähigkeit k von 2,2 (W/m ·K) für
die obere kontinentale Erdkruste und dem ermittelten Temperaturgradienten k von T = 30 K geteilt
durch z = 1000 m gleich 0,03 (K/m), ein Mittelwert für den Wärmestrom von 65 mW/m². Die
Temperatur an der Erdoberfläche ist von dieser geringen Wärmeleistung jedoch nicht bedeutend
beeinflusst, da durch die Sonne 1,35·10
6
mW/m² erzeugt werden
21
.
20
Vgl.: Clauser, C.: Thermal Signatures, 2.2.1 Inversion of Borhole Temperature Data, Seite 21ff.
21
Vgl.: Rummel, F. ; O. Kappelmeyer (Hrsg.): Energieträger der Zukunft?; Seite 13.
Mittlerer Temperaturanstieg bei zunehmender Tiefe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0
50
0
10
00
15
00
20
00
25
00
30
00
35
00
40
00
45
00
50
00
55
00
60
00
65
00
Tiefe in m
Tem
perat
ur in
°C
Temperaturverlauf
Abb.8: Temperaturtiefenverlauf
Seite
3.2.2
Wärmeeintragung durch die Sonne
Die Einstrahlung der Sonne verursacht folgenden, in den nächsten Grafiken zu erkennenden,
jahreszeitlichen Verlauf der Temperatur an der Erdoberfläche und dessen Auswirkung in die Tiefe.
In Abbildung 9 sind vier Kurven der Monate Februar, Mai, August und November dargestellt mit
deren jeweiligen Temperaturverlauf in zunehmender Tiefe. Die gleiche Aussage enthält auch
Abbildung 10, jedoch werden hier fünf Kurven der Tiefen 1,5, 3, 6, 10 und 30 Meter im
jahreszeitlichen Verlauf mit jeweiliger Temperatur gezeigt.
Im Februar erreicht die Temperatur in 1,5 m Tiefe ein Minimum von 2°C, dies ist zurückzuführen auf
die kalten Umgebungstemperaturen in den Wintermonaten, aber schon in 6 Metern Tiefe ist durch den
Energieeintrag aus Sommer und Herbst immer noch ein Maximum von 6°C zu verzeichnen. Im Mai
hat sich die Temperatur an der Oberfläche im Durchschnitt schon auf bis zu 10°C erhöht, beträgt
jedoch in 3 Metern Tiefe nur 7°C durch die winterliche Auskühlung. Der Einfluss der
Sonneneinstrahlung erstreckt sich im Jahresverlauf auf Tiefen bis zu 30 m. Daran schließt sich die
neutrale Zone an, bei der die Jahrestemperaturschwankung nicht mehr als 0,1 °C beträgt. Maßgebend
hierfür ist neben der Wärmeleitfähigkeit des Bodens und der regional variierenden mittleren
Umgebungstemperatur der Erdoberfläche, der Wärmetransport durch solar erwärmte Grundwässer.
Zum einen weist grundwassergesättigter Boden eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, die den
Wärmestrom aus der Erdkruste nach oben und von der Erdoberfläche nach unten begünstigt, zum
anderen beschleunigt erwärmtes Sickerwasser den Wärmetransport, von der durch solare Strahlung
stark aufgeheizten oberen Bodenschicht, in tiefere.
3.2.3
Bedeutung des Grundwassers für geothermische Nutzungen
Trockenes Gestein hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und damit eine wesentlich geringere
entziehbare Wärmeleistung als wassergesättigtes Gestein. Daher besitzt Grundwasser eine
entscheidende Bedeutung für die Entzugsleistung geothermische Anlagen. Durch den Wärmeentzug
entsteht im Untergrund ein thermischer Entzugstricher, vergleichbar mit dem Absenktrichter eines
Förderbrunnen. Bei fließendem Grundwasser ist somit der Wärmetransport aus dem umgebenden
Erdreich beschleunigt. Zu beachten ist jedoch, dass Erdsonden nicht hintereinander, also nicht parallel
zur Grundwasserfließrichtung eingebracht werden, da sich dieser Effekt sich sonst negiert und die
hinteren Sonden von abgekühltem Grundwasser umflossen würden. So muss auch bei der direkten
Abb. 10: Jahresgang der Temperatur in
verschiedenen Tiefen
Abb.9: Bodentemperatur im oberflächennahen Erdreich
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2007
- ISBN (eBook)
- 9783836612203
- Dateigröße
- 3.5 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Hochschule Wismar – Bauingenieurwesen, Studiengang Baubetrieb
- Erscheinungsdatum
- 2014 (April)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- geothermie erdwärmesonde erdwärmebohrung unternehmensmodell baubranche
