Erneuerbare Energien

Erdwärme

Erdwärme zählt zu den regenerativen Heizenergieträgern. Das Erdreich hat die Eigenschaft, Sonnenwärme in gleichmäßiger Temperatur über einen längeren Zeitraum zu speichern. Die Wärmeerzeugung mit Erdwärme erfolgt ohne Schadstoffe.

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Begriff

Insbesondere tiefere Schichten des Erdreichs enthalten eine Wärmeenergie, die unter Einsatz ökologisch verträglicher Kältemittel oder durch einen Absorptions-Kompressions-Prozess mittels Anhebung der Temperatur zur Heizenergie Verwendung finden kann. Dasselbe gilt für die Wärmeenergie der in tieferen Schichten liegenden Thermalwasservorkommen.

Die Erdwärme wird in der Regel mit Sole, einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, in einem geschlossenen Kreislauf transportiert. Dabei gibt es zwei verschiedene Wege, dem Erdreich die gespeicherte Sonnenwärme zu entziehen.

Technik

Die Technik der Anlagen für die Geothermie-Nutzung ist konventionelle Maschinenbau- und Elektrotechnik. In der Regel besteht sie aus Wärmepumpe, Wärmetauscher, Förder- und Injektionssonde und Rohrleitungen. Spezialfilter im Bereich des Nutzungshorizonts sind erforderlich, um bei geringer verfestigten Speichern ein Zersetzen der Sonden zu verhindern.

Unterwasser-Motorpumpen sind zur Förderung des Thermalwassers vom sich einstellenden dynamischen Spiegel bis zur obertägigen Anlage notwendig.

Wärmepumpen mit ökologisch verträglichen Kältemitteln sind notwendig, um bei niedrigen Thermalwassertemperaturen die Nutztemperaturen anzuheben oder um die Restwärme des Thermalwassers ebenfalls zu gewinnen.

Einsatzmöglichkeiten

Geothermie kann vor allem zur Wärmeerzeugung und Warmwasserbereitung sowie zur Schwimmbadbeheizung eingesetzt werden.

Erdwärmekollektor

In einer Tiefe von 1,2 bis 1,5 m werden Erdwärmekollektoren in Form von Kunststoffrohrsystemen als horizontale Absorber im Boden verlegt. Der Gebäudewärmebedarf gibt dabei die notwendigen Freiflächen an. In Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit ist mit einer Wärmeentzugsleistung von 10 W/m² Bodenfläche bei trockenen sandigen Böden bis zu 40 W/m² Bodenfläche bei wassergesättigten Böden zu rechnen. Diese Wärmequellenerschließung bietet sich speziell für Neubauten mit ausreichenden Freiflächen an.

Erdwärmesonden

Vertikale Erdwärmesonden können bei guten hydrogeologischen Verhältnissen eine Wärmeentzugsleistung von 50 bis 100 W/m Sondenlänge bereitstellen und reichen in Tiefen von 30 bis 100 m. Voraussetzungen für die Planung und Einbringung von Erdwärmesonden sind die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, des Bodenwiderstands sowie die Existenz von Grund- und Schichtenwasser und die Bestimmung von dessen Fließrichtung. Für den Gebäudebestand und für Neubauten in Ballungsräumen mit geringem Freiflächenangebot eignen sie sich besonders, da eine Nachrüstung mit Erdwärmekollektoren recht kostspielig ist. Anlagen mit Erdwärmesonden bedürfen einer wasserrechtlichen Erlaubnis durch die untere Wasserbehörde der jeweiligen Kreis- bzw. Stadtverwaltung.

Erdreichwärmetauscher

Der Erdwärmetauscher bietet sich bei dem Einsatz von Lüftungsanlagen als interessante Alternative und als die ideale „solare Heizung“ an, da die Zuluft durch die in der Erde gespeicherte Energie (Erdwärme bzw. Geothermie) vorgewärmt wird. Während so im Winter Wärme dem Erdreich entzogen wird, erlaubt ein Erdwärmetauscher, warme Außenluft im Sommer abzukühlen, bevor sie in das Gebäude geführt wird. Erdreichwärmetauscher werden in Kombination mit der Lüftungsanlage betrieben und in der vorhandenen Baugrube in 1,8 bis 2,0 m Tiefe z.B. aus KG-Rohren mit einer Länge von 30 bis 45 m eingebaut.

Die für die Lüftungsanlage benötigte Außenluft wird durch den Erdreich-Luft-Wärmetauscher geführt. Da die Erdreichtemperatur in ca. 1 m Tiefe im Winter die Frostgrenze nicht unterschreitet und im Sommer zwischen 10 °C und 20 °C bleibt, kann bei oben genannten Außentemperaturen die Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und Außenluft (bis zu 25 K) sehr wirtschaftlich zur Vorwärmung bzw. Vorkühlung der Außenluft genutzt werden.

Luftvorerwärmung im Winter: Bei einer Verlegetiefe von 2,0 m und einer Rohrlänge von 45 m ermöglicht der Erdreichwärmetauscher z.B. bei –15 °C Außentemperatur die energiesparende Vorerwärmung der Außenluft auf ca. +1 °C. Diese Kennwerte sind aber vom Luftvolumenstrom, der Verlegetiefe und den Bodenbeschaffenheiten abhängig.

Kühleffekt im Sommer: Bei einem Luftvolumen von ca. 150 m³/h, einer Verlegetiefe von 2,0 m und einer Rohrlänge von 45 m ermöglicht der Erdreichwärmetauscher z.B. bei +30 °C Außentemperatur die Abkühlung der Außenluft auf ca. +17 °C.

EnEV-Nachweis

Die Verwendung von Erdwärme wirkt sich nicht unerheblich auf die Gesamtenergiebilanz eines Gebäudes aus. Der Jahres-Primärenergiebedarf, die Nenngröße der Energieeinsparverordnung, wird durch die Verwendung von Erdwärme günstig beeinflusst. Dabei ist zu berücksichtigen, dass er auch die Energieströme erfasst, die zur Produktion der Wärmeenergie benötigt werden.