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Technik und Rentabilität von Tiefenbohrungen zur Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses

©2013 Studienarbeit 49 Seiten

Zusammenfassung

Durch die Verknappung fossiler Rohstoffe und die damit einhergehende Steigerung der Betriebskosten von Heizsystemen auf Basis endlicher Ressourcen werden diese zunehmend unrentabel. Auf der Suche nach Alternativen ergibt sich die Möglichkeit, die nahezu unerschöpflich vorkommende Erdwärme mittels Erdwärmesondenanlagen zur Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses zu nutzen. Dazu müssen zunächst eine oder mehrere Tiefenbohrungen durchgeführt werden. Anschließend wird eine Erdwärmesonde mit einer Solefüllung in die Bohrung eingebracht, die die im Boden gespeichert Wärme aufnimmt. Über eine Wärmepumpe wird die Temperatur erhöht und kann anschließend zu Heizzwecken genutzt werden. Eine möglichst exakte Planung und Auslegung verhindert, dass die Erdwärmesondenanlage über- oder unterdimensioniert ist. Vor der Durchführung der Tiefenbohrung muss eine Genehmigung bei der zuständigen Behörde beantragt werden, nach der Bohrung muss oftmals eine Dokumentation vorgelegt werden. Risiken dieser Technologie teilen sich in geologische, technische und ökonomische Risiken. Die größten Probleme können sich durch massive Grundwasserverschmutzung und unvorhersehbaren Bodenreaktionen ergeben. Bei einer Analyse von Kosten und Wirtschaftlichkeit wird erkannt, dass eine Erdwärmesondenanlage zwar höhere Investitionskosten, aber wesentlich niedrigere Betriebskosten als andere Heizsysteme aufweist.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


Beck, Julian: Technik und Rentabilität von Tiefenbohrungen zur Wärmeversorgung
eines Einfamilienhauses, Hamburg, Diplomica Verlag GmbH 2015
PDF-eBook-ISBN: 978-3-95636-499-0
Herstellung: Diplomica Verlag GmbH, Hamburg, 2015
Zugl. Duale Hochschule Baden-Württemberg Mosbach, Mosbach, Studienarbeit, 2013
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Hermannstal 119k, 22119 Hamburg
http://www.diplom.de, Hamburg 2015
Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis
Formel- und Abkürzungsverzeichnis
Bildverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Kurzfassung
1
Erdwärmeheizung als Alternative zu fossilen Heizsystemen ... 1
2
Technik der Erdwärmesondenanlagen ... 7
2.1 Durchführen einer Tiefenbohrung ... 7
2.2 Aufbau und Funktion der Erdwärmesonde ... 9
2.3 Funktionsweise einer Wärmepumpe ... 11
3
Auslegung einer Erdwärmesondenanlage für ein Einfamilienhaus ... 15
4
Rechtliche Grundlagen, Beantragung und Genehmigung von
Tiefenbohrungen ... 22
5
Probleme und Risiken der Technologie ... 27
6
Kosten und Wirtschaftlichkeit ... 31
7
Fazit ... 38
Literaturverzeichnis ... 40

Formel- und Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungen
1
DVGW W120
Zertifikat für Bohr- und Brunnenbauunternehmen, verlie-
hen durch den Deutschen Verein des Gas- und Wasserfa-
ches e.V.
W/(m · K)
Watt pro Meter und Kelvin (Einheit für die Wärmeleitfähig-
keit eines Materials)
W/m
Watt pro Meter (Einheit für den spezifischen Wärmefluss
des Untergrundes)
JAZ Jahresarbeitszahl
VOB
Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen
kW
Kilowatt (Einheit der Leistung)
/a
Euro pro Jahr (Einheit für Betriebskosten pro Jahr)
a
Jahr (Einheit für die Amortisationszeit)
1
Bei den Einheiten ist in Klammern der Verwendungszweck in der vorliegenden Arbeit aufgeführt.

Formeln und Symbole
Kurzzeichen Einheit Benennung
P
N
kW
Wärmebedarf
(Heizleistung)
eines
Gebäudes
A
Beheizte
Gebäudefläche
q kW/m²
Spezifischer Wärmebedarf pro Quadratmeter
beheizter Gebäudefläche
P
N, Ausl.
kW
Heizleistung, für die die Wärmepumpe
ausgelegt sein muss
f --
Dimensionierungsfaktor zur Berücksichtigung
von Sperrzeiten
Q
ZU
kWh
Energie,
die
der Wärmepumpe zugeführt
wird
Q
EL
kWh
Elektrische Energie, die dem Verdichter
zugeführt wird
L
B
m
Tiefe
der
Bohrung
p(s)
W/m
Spezifische Entzugsleistung der Erdwärme-
sonde (abhängig von Untergrund und
Betriebszeit)
K
GES
Differenzkosten
zwischen
Erdwärmesonden-
anlage und Ölheizung im Jahr der Errichtung
der
Erdwärmesondenanlage
K
EWS
Investitionskosten und Betriebskosten der
Erdwärmesonde
im
ersten
Jahr
K
ÖL
/a
Betriebskosten der Ölheizung pro Jahr
K
a
/a
Jährliche Differenzkosten zwischen Ölhei-
zung und Erdwärmesondenanlage ab dem
zweiten
Jahr
K
a, EWS
/a
Jährliche Betriebskosten der Erdwärme-
Sondenanlage
t
A
a Amortisationszeit

Bildverzeichnis
Bild 1: Vergleich der Heizöl und Erdgaspreise seit 2002 ... 1
Bild 2: Übersicht über verschiedene Technologien zur Erdwärmenutzung ... 3
Bild 3: Schematisches Prinzip einer Erdwärmesondenanlage ... 5
Bild 4: Prinzipdarstellung einer Doppel-U-Rohrsonde ... 10
Bild 5: Funktionsschema einer Wärmepumpe ... 13
Bild 6: Vorlauftemperatur und Heizleistung in Abhängigkeit von der
Gebäudedämmung ... 16
Bild 7: Schemaskizze zur wasserrechtlichen Behandlung von Erdwärmesonden ... 24
Bild 8: Bodenprofil mit offenen Lösungshohlräumen ... 28
Bild 9: Gebäude mit strukturellen Schäden durch Erdfälle als Folge einer
Tiefenbohrung ... 29
Bild 10: Vergleich der Anschaffungskosten verschiedener Heizsysteme ... 35
Bild 11: Vergleich der jährlichen Betriebskosten verschiedener Heizsysteme ... 36
Bild 12: Kosten verschiedener Heizsysteme im Zeitraum von 20 Jahren ... 37

Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Eignung von Imlochhammerbohrverfahren und
Rotationsnassspülbohrverfahren bei verschiedenen Bodenverhältnissen ... 8
Tabelle 2: Spezifische Wärmebedarfswerte (überschlägig) ... 17
Tabelle 3: Dimensionierungsfaktor zur Berücksichtigung von Sperrzeiten ... 18
Tabelle 4: Spezifische Entzugsleistungen von Erdwärmesonden ... 20
Tabelle 5: Hydrogeologische Lagekriterien für die wasserrechtliche Beurteilung ... 23
Tabelle 6: Übersicht über wichtige Normen und Richtlinien für Tiefenbohrungen ... 25
Tabelle 7: Kostengegenüberstellung von Erdwärmesondenanlage und Ölheizung .. 33

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Technik und Rentabilität von Tiefenboh-
rungen zur Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses. Eine Untersuchung dieses
Sachverhalts fand anhand einer Recherche in Büchern, Vorlesungsskripten, Behör-
denunterlagen, eigenen Unterlagen und im Internet statt. Durch die Verknappung
fossiler Rohstoffe und die damit einhergehende Steigerung der Betriebskosten von
Heizsystemen auf Basis endlicher Ressourcen werden diese zunehmend unrentabel.
Auf der Suche nach Alternativen ergibt sich die Möglichkeit, die nahezu unerschöpf-
lich vorkommende Erdwärme mittels Erdwärmesondenanlagen zur Wärmeversor-
gung eines Einfamilienhauses zu nutzen. Dazu müssen zunächst eine oder mehrere
Tiefenbohrungen durchgeführt werden. Anschließend wird eine Erdwärmesonde mit
einer Solefüllung in die Bohrung eingebracht, die die im Boden gespeichert Wärme
aufnimmt. Über eine Wärmepumpe wird die Temperatur erhöht und kann anschlie-
ßend zu Heizzwecken genutzt werden. Eine möglichst exakte Planung und Ausle-
gung verhindert, dass die Erdwärmesondenanlage über- oder unterdimensioniert ist.
Vor der Durchführung der Tiefenbohrung muss eine Genehmigung bei der zuständi-
gen Behörde beantragt werden, nach der Bohrung muss oftmals eine Dokumentation
vorgelegt werden. Risiken dieser Technologie teilen sich in geologische, technische
und ökonomische Risiken. Die größten Probleme können sich durch massive
Grundwasserverschmutzung und unvorhersehbaren Bodenreaktionen ergeben. Bei
einer Analyse von Kosten und Wirtschaftlichkeit wird erkannt, dass eine Erdwärme-
sondenanlage zwar höhere Investitionskosten, aber wesentlich niedrigere Betriebs-
kosten als andere Heizsysteme aufweist. Als grundsätzliches Ergebnis dieser Arbeit
kann festgehalten werden, dass eine Tiefenbohrung und die Nutzung der thermi-
schen Energie des Untergrundes eine sinnvolle und wirtschaftliche Alternative sind,
wenn massive Grundwassergefährdungen ausgeschlossen werden können.

1 Erdwärmeheizung als Alternative zu fossilen Heizsystemen
1
1 Erdwärmeheizung als Alternative zu fossilen
Heizsystemen
Die Verknappung fossiler Rohstoffe, insbesondere von Erdöl und Erdgas, aber auch
von Kohle, stellt ein in der heutigen Zeit viel diskutiertes Thema dar. Schätzungen
zufolge sind die Erdölreserven nach heutigem Stand spätestens in 140 Jahre aufge-
braucht, die maximale Reichweite von Erdgas liegt bei etwa 260 Jahren
2
. Darin ein-
gerechnet sind allerdings auch schon der kosten- und arbeitsintensive Abbau von
Ölsanden, Ölschiefern und Schwerstölen sowie die Gewinnung von Erdgas aus ext-
rem dichtem Gestein. Die parallel dazu steigende Nachfrage, vor allem aus Entwick-
lungs- und Schwellenländern, wird zukünftig zwangsläufig zu immer stärkeren Preis-
steigerungen führen. Damit wird der Trend der letzten Jahre fortgesetzt, nach dem
sich Erdöl und Erdgas deutlich verteuerten. Wie in Bild 1 ersichtlich wird, haben sich
die Kosten für Heizöl seit 2002 fast verdreifacht, während die Erdgaspreise um mehr
als 60 Prozent angestiegen sind.
Bild 1: Vergleich der Heizöl und Erdgaspreise seit 2002
3
2
Siehe www.erdoel-erdgas.de/Themen/Rohstoffe/Reichweite-fossiler-Rohstoffe
3
Aus www.fastenergy.de/GLOBAL_PICS/heizoel_gas_chart.png

1 Erdwärmeheizung als Alternative zu fossilen Heizsystemen
2
Heizsysteme auf Basis fossiler Energieträger werden durch diese Entwicklung immer
teurer und unrentabler. Auf der Suche nach Alternativen wird im Zuge der Bemühun-
gen um den Klimaschutz und der Bestrebungen zur Schonung endlicher Ressourcen
der Fokus mehr und mehr auf regenerative Energien gelegt. Eine interessante Opti-
on ist dabei die Erschließung von Umgebungswärme, zu der unter anderem auch
das Potential der Erdwärme zählt. Der nutzbare Wärmestrom aus dem Erdinneren ist
dabei rund um die Uhr vorhanden und unterliegt nicht der Fluktuation anderer rege-
nerativer Energiesysteme wie Windkraft oder Solarenergie. Erdwärme ist ein so ge-
nannter bergfreier Bodenschatz, dessen Nutzungsrechte beim Staat liegen. Die
staatliche Konzession entfällt jedoch, wenn Erdwärme unter einem Grundstück für
die Nutzung auf demselben Grundstück gewonnen wird
4
. In Bild 2 ist eine Übersicht
über die verschiedenen Technologien zur Nutzung der Erdwärme dargestellt. Man
unterscheidet zwischen tiefer und oberflächennaher Geothermie.
4
Dieser Grundsatz gilt jedoch nur bei Bohrtiefen bis 100 m (vgl. Kapitel 4)

1 Erdwärmeheizung als Alternative zu fossilen Heizsystemen
3
Bild 2: Übersicht über verschiedene Technologien zur Erdwärmenutzung
5
Die erfolgversprechendste Option zum Heizen und zur Warmwasserbereitung von
Einfamilienhäusern bietet dabei eine in Verbindung mit einer Tiefenbohrung einge-
setzte flache Erdwärmesonde, die mit einer Wärmepumpe gekoppelt ist. Erdwärme-
sonden entziehen dem Erdreich Wärme, die dann mit einer Wärmepumpe über ei-
nen Verdichter konzentriert und über einen Wärmetauscher als Heizenergie zur Ver-
fügung steht.
Die Temperaturen betragen in 20 Metern Tiefe konstant 8 bis 12 °C. Pro 100 Meter
in Richtung Erdinnerem nimmt die Temperatur weiterhin um circa 3 °C zu. Dies be-
5
Aus www.lfu.bayern.de/geologie/geothermie

1 Erdwärmeheizung als Alternative zu fossilen Heizsystemen
4
deutet, dass große Mengen Energie im Boden gespeichert sind, die zum Betrieb von
Erdwärmesondenanlagen zur Verfügung stehen. Neben dem Heizen und der Warm-
wasserbereitung können die Anlagen im Sommer auch zur Kühlung des Gebäudes
genutzt werden, indem überschüssige Wärme aus dem Haus über die Wärmepumpe
zurück ins Erdreich geführt und die Auskühlung des Erdreiches reguliert wird.
Erdwärmesonden werden in vertikalen Bohrungen installiert. Im Sondenkreislauf zir-
kuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit, die im tieferen Sondenbereich die im Untergrund
gespeicherte Wärme aufnimmt. In einem Wärmetauscher wird der Flüssigkeit (Pri-
märkreislauf) Wärme entzogen. Über eine Wärmepumpe (Sekundärkreislauf) wird die
Temperatur erhöht und die gewonnene Wärme zu Heizzwecken verwendet. Erdwär-
mesonden sind mit dichter Ringraumfüllung über die gesamte Länge der Bohrung
auszuführen. Die Ringraumfüllung stabilisiert die Sonde im Bohrloch und überträgt
durch den direkten Kontakt die Wärme vom Gestein und ggf. vom Grundwasser auf
die Sonde. In Bild 3 ist das Prinzip einer derartigen Erdwärmesondenanlage darge-
stellt.

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2013
ISBN (PDF)
9783956364990
ISBN (Paperback)
9783956368431
Dateigröße
1.3 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Duale Hochschule Baden Württemberg Mosbach – Maschinenbau-Verfahrenstechnik
Erscheinungsdatum
2015 (Juni)
Note
1,0
Schlagworte
Erdwärmeheizung Einfamilienhaus Erdwärmesondenanlage Heizsystem Tiefenbohrung Wärmeversorgung
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