Mein Klimawechsel! Nutzen Sie die Vorteile regenerativer Heizsysteme!

Kühlt die Erde aus, wenn Erdwärme genutzt wird?

Wärmepumpen machen mit Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren die oberflächennahe Erdwärme (Geothermie) für Warmwasserbereitung und Raumwärme nutzbar. Dadurch kühlt die Erde nicht dauerhaft aus. Erdwärme ist eine erneuerbare Energiequelle – wie z.B. Sonnenenergie.

Genau wie bei der Nutzung von Sonnenenergie mit einer Solaranlage verringert sich nicht die Sonnenscheindauer. Ähnlich verhält es sich auch mit dem natürlichen Wärmestrom aus dem Erdinneren. Die im Erdinneren herrschenden Temperaturen von bis zu 6.000°C erwärmen die oberen Gesteins- und Erdschichten sowie unterirdische Wasserreservoirs. Theoretisch bietet das natürliche Angebot der Erdwärme das 2,5-fache des jährlichen Weltenergieverbrauchs.

Erdwärme heizt das Gestein auf. Wird diese im Gestein gespeicherte Wärme an einer Tiefenbohrung in sehr großen Mengen an die Oberfläche befördert, reicht die Wärme nach mehreren Jahrzehnten möglicherweise nicht mehr für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Heizungsanlage oder eines geothermischen Kraftwerks aus. Der natürliche Wärmestrom aus dem Erdinneren wird damit aber nicht versiegen, sondern weiter das Gestein erhitzen. Eine Heizungsanlage, die Erwärme nutzt, muss daher an das jeweilige geothermische Potenzial angepasst sein. Auch wenn über eine zu kleine Erdwärmesonde in kurzer Zeit viel Wärme gefördert würde, müsste der unterirdischen Wärmequelle erst wieder ausreichend Zeit zur Regeneration gelassen werden.

Weitere Informationen:

Geothermie: Lagerstätten und Ursprung

Ursprung geothermischer Energie

 

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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen machen die Wärme aus der Erde, der Umgebungsluft oder dem Grund-, Oberflächen- oder Abwasser für die Warmwasserbereitung und Raumwärmeerzeugung nutzbar, indem sie deren Temperatur auf ein höheres Niveau steigern.

Erdwärmepumpen „zapfen“ die natürliche Erdwärme mit Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren an. In einer Erdsonde in ca. 100 Meter Tiefe erwärmt sich eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) auf bis zu 13°C. Bohrungen für Erdsonden sind für Einfamilienhäuser meistens zwischen 50 bis 150 Meter tief und haben einen Durchmesser von ca. 14 bis 16 cm.

Alternativ kann Wasser auch in einem Erdwärmekollektor zirkulieren und dort auf eine Temperatur von maximal 10°C erwärmt werden. Der Kollektor breitet sich im Gegensatz zur Erdwärmesonde auf einer ausgedehnten Fläche horizontal in nur ca. 100 - 150 cm Tiefe aus.

Die erwärmte Flüssigkeit aus Erdwärmesonde bzw. -kollektor wird an die Erdoberfläche gefördert. Die Wärmepumpe überträgt die Erdwärme aus der Erdwärmesonde bzw. aus dem -kollektor auf ein Arbeitsmittel. Das Arbeitsmittel nimmt diese Wärme auf und verdampft dabei. Der elektrische Kompressor der Erdwärmepumpe erhöht den Druck und verdichtet den Dampf. Dadurch steigt dessen Temperatur. Die Wärme kann dann in einem Pufferspeicher gesammelt werden und für die Warmwasserbereitung und als Raumwärme zur Verfügung gestellt werden.

Die Wärmepumpe funktioniert damit wie ein umgekehrter Kühlschrank. Sie "pumpt" die Erdwärme auf ein höheres Temperaturniveau, das für eine Heizungsanlage notwendig ist. Für die Bereitstellung von 3 – 5 Kilowattstunden Wärme benötigt sie ca. 1 Kilowattstunde Strom, der den elektrischen Kompressor antreibt. Kurze Stromausfälle kann die Heizungsanlage überbrücken. Ohne diese Energiezufuhr von außen funktioniert aber keine Wärmepumpe.

Weitere Informationen:

Grafiken zur Funktionsweise von Wärmepumpen

 

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Welchen Wärmebedarf kann eine Wärmepumpe abdecken?

Eine erdgekoppelte Wärmepumpe kann den Wärmebedarf eines Gebäudes zu 100 % decken. Das Erdreich und das Angebot von Erdwärme sind jedoch an jedem Standort unterschiedlich. Entscheidend ist die Auslegung der jeweiligen Heizungsanlage. Das bedeutet, dass bei Erdwärmepumpen die Tiefe der Erdsonde bzw. die Größe des Erdkollektors sowie die Nennleistung der Wärmepumpe genau auf den Wärmebedarf des jeweiligen Gebäudes abgestimmt werden müssen.

Der Wärmebedarf eines durchschnittlichen Einfamilienhauses kann durch eine erdgekoppelte Wärmepumpe mit einer Leistung von rund 12 kW gedeckt werden. Die Wärmepumpe benötigt zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge stets Strom. Ohne diese Energiezufuhr von außen kann die oberflächennahe Erdwärme nicht nutzbar gemacht werden. Das Verhältnis von eingesetzter Strommenge zur gesamten Wärmemenge sollte optimal beim Verhältnis 1 : 4 und höher liegen. Mit einer Kilowattstunde Strom kann die Wärmepumpe dann 4 Kilowattstunden Wärme bereitstellen. Das Verhältnis von eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge wird auch als Jahresarbeitszahl bezeichnet – in diesem Fall ist die Jahresarbeitszahl 4,0.

Überträgt man dieses Verhältnis auf das Beispiel der 12 kW starken Wärmepumpe für das Einfamilienhaus, müssen 3 kW Leistung durch Strom gedeckt werden. Mindestens 9 kW Leistung sollten dann über die unterirdische Wärmequelle bereitgestellt werden.

Um zu wissen, wie eine Wärmeleistung von 9 kW durch Erdwärme gedeckt werden kann, muss das natürliche Angebot von Erdwärme am jeweiligen Standort bekannt sein. Dieses wird vor allem durch die Wärmeleitfähigkeit des Gesteins bestimmen. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie viel Wärme durch das Erdreich „hindurchwandern“kann. Sie liegt für typische Gesteine in Deutschland bei 1,5-3,5 Watt/Meter x Kelvin. Eine aus dieser Gesteins-Eigenschaft abgeleitete Größe ist die spezifische Entzugsleistung. Damit lässt sich ermitteln, wie viel Erdwärme dem Erdreich nachhaltig entzogen werden kann, ohne dass zu viel Wärme auf einmal entnommen würde bzw. zu wenig, um den jeweiligen Wärmebedarf zu decken.

 

Beispielrechnung für ein Einfamilienhaus mit Erdwärmepumpe und Erdsonde

Leistung der Wärmepumpe	12 kW
elektrische Leistung (Energiezufuhr von außen)	12 kW / 4 = 3 kW
durch Erdwärme zu deckende Wärmeleistung	12 kW – 3 kW = 9 kW
Wärmeleitfähigkeit des Gesteins am Standort	2,8 Watt/Meter x Kelvin
Je Meter Tiefe der Erdwärmesonde kann am Standort ein natürliches Angebot von 55 Watt Erdwärme „eingesammelt“ werden (spezifische Entzugsleistung).
benötigte Länge der Erdwärmesonde in Meter (Tiefe der Bohrung)	9 kW / 55 W/m = 164 m
Um eine Wärmeleistung von 9 kW zu erschließen, ist eine 164 Meter tiefe Erdwärmesonde nötig. Alternativ könnten auch - zwei jeweils > 82 Meter tiefe Erdwärmesonden oder - vier jeweils > 41 Meter tiefe Erdwärmesonden angelegt werden.

In den meisten Fällen ist es sinnvoll, statt vieler kleiner Bohrungen nur ein oder zwei tiefe Erdsonden anzulegen, um eine stetige, gleichmäßige Wärmequelle zu erschließen.

 

Weitere Informationen:

Kostenrechner von co2-online

Leitfaden Erdwärmesonden – Tipps für Häuslebauer 

Auslegung einer Erdwärmepumpe mit Erdsonde berechnen

Auslegung einer Erdwärmepumpe mit Erdkollektor berechnen

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Wie umweltfreundlich ist eine Wärmepumpe?

Wärmepumpen nutzen das natürliche Angebot der erneuerbaren Energiequelle Erdwärme (Erdwärmepumpe) bzw. die natürliche Umweltwärme der Umgebungsluft (so genannte Luft-Wärmepumpe) oder die des Grund- oder Abwassers. Eine Wärmepumpe verursacht darum selbst keinerlei Emissionen und läuft fast völlig geräuschfrei.

Ohne Energiezufuhr von außen funktioniert jedoch keine Wärmepumpe. Um Erdwärme für Warmwasserbereitung und Raumwärme bereitzustellen, benötigt eine Wärmepumpe Strom. Noch stammt der Strom in Deutschland überwiegend aus Kohle-, Erdgas- und Atomkraftwerken. Jede Kilowattstunde Strom ist daher mit dem Ausstoß von klimaschädlichen Treibhausgasen (durchschnittlich ca. 0,6 kg/kWh) sowie radioaktiven Abfällen verbunden.

Das Verhältnis der zugeführten Strommenge zur gesamten Wärmemenge sollte mindestens bei 1 : 3, besser jedoch beim Verhältnis 1 : 4 und höher liegen. Das bedeutet, dass eine Wärmepumpe mit einer Kilowattstunde Strom dann 3 bzw. 4 Kilowattstunden Wärme bereitstellen kann. Das Verhältnis von eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge wird auch als Jahresarbeitszahl bezeichnet – bei diesen Beispielen liegt die Jahresarbeitszahl bei 3,0 bzw. 4,0.

Ist die Jahresarbeitszahl zu niedrig, wird eine unverhältnismäßig große Menge Strom eingesetzt, um eine zu geringe Menge Wärme bereitzustellen. Um diese Wärmemenge bereitzustellen, würden dann durchschnittlich mehr fossile Energieträger eingesetzt, als Energie aus der erneuerbaren Wärmequelle gewonnen werden kann. Die Wärmepumpe würde ineffizient und mit geringem ökologischem Nutzen arbeiten.

Wer zu einem Anbieter von Strom aus 100 % Erneuerbaren Energien wechselt, kann seine Wärmepumpe dagegen mit klimafreundlichem Strom versorgen. In jedem Fall sollten Wärmequelle, Wärmepumpe und Heizungsanlage aber genau aufeinander abgestimmt sein, um nicht zu viel Strom einsetzen zu müssen.

Eine Gefährdung des Grundwassers durch Bohrungen für Erdwärmesonden kann bei Beachtung der technischen Vorgaben und Vermeidung kritischer Gebiete ausgeschlossen werden. Die geltenden Richtlinien des Grundwasserschutzes sowie die technischen Regeln für Bohrungen verhindern mögliche Schäden. In der Schweiz gibt es nach jahrzehntelanger Erfahrung mit Erdwärmepumpen und trotz einer viermal höheren Dichte von Bohrungen keine Einschränkungen der Grundwasserqualität.

Weitere Informationen:

Ökologische Aspekte der Geothermie

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Ist mein Haus für eine Wärmepumpe geeignet?

Die Bohrung für die Erdwärmesonde einer Wärmepumpe kann unter oder neben dem Gebäude erfolgen. Wird ein Erdwärmekollektor gewählt, um die natürliche Wärmequelle „anzuzapfen“, muss eine ausreichend große Fläche vorhanden sein, in der das Rohrsystem des Kollektors horizontal in ca. 100 – 150 cm Tiefe ausgebreitet werden kann, z.B. unter einer Rasenfläche. Die benötigte freie Gartenfläche muss bei Erdwärmekollektoren 1,5 bis 2,5 mal so groß sein wie zu beheizende Wohnfläche (abhängig vom Wärmebedarf des Hauses). Der Boden muss dauerhaft durchfeuchtet bleiben, also Wasser halten können. Das gilt auch für sogenannte Erdwärmekörbe oder Spiralkollektoren.

Das Erdreich birgt an jedem Standort ein unterschiedliches Angebot natürlicher Erdwärme. Wie gut und in welchen Tiefen welche Wärmequellen zu finden sind, kann im Internet über das Informationssystem Oberflächennahe Geothemie der Staatlichen Geologischen Dienste detailliert für Grundstücke in fast jedem Bundesland ermittelt werden.

Wärmepumpe, Edwärmesonde und -kollektor müssen genau auf den Wärmebedarf des jeweiligen Gebäudes abgestimmt werden, wobei vor allem die Wärmequelle ausreichen muss. Hier sollte jeweils ein qualifizierter Energieberater oder Fachbetrieb zu Rate gezogen werden. Wird ein Gebäude z.B. erst mehrere Jahre nach Installation einer Erdwärmepumpe energetisch saniert, sinkt der Wärmebedarf des Gebäudes. Die Anlage darf jedoch auch nicht zu klein ausgelegt sein.

Je niedriger die Temperatur des Heizkreislaufs, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Sinnvoll ist daher für die Bereitstellung von Raumwärme eine Fußbodenheizung. Während konventionelle Heizkörper Temperaturen von 50-70°C benötigen, reichen bei Fußbodenheizungen bereits 30-35°C. Man spricht deshalb auch von Niedertemperatursystemen. Wird z.B. ein alter Heizölkessel durch eine Wärmepumpe ausgetauscht, muss daher bei der Auslegung von Wärmepumpe und Erdsonde oder –kollektor auch berücksichtigt werden, ob weiterhin Wärme für Heizkörper mit einer hohen Temperatur bereitgestellt werden soll. Davon ist in der Regel abzuraten, da die Wärmepumpe nicht effizient arbeiten könnte.

Bei einer Erdwärmesonde wird ein Rohrsystem über Tiefenbohrungen vertikal in den Erdboden eingebracht. In den meisten Fällen erfordert dies den Zugang von schwerem Baugerät zum Grundstück. Bei Grundwasserbrunnen und Erdsonden (Bohrungen) müssen Genehmigungen oder Erlaubnisse eingeholt werden. Liegt ein Grundstück in den strengsten Wasserschutzzonen 1 und 2, sind Bohrungen für Erdwärmesonden nicht zugelassen. In der Wasserschutzzone 3 unterliegt die Nutzung von Erdwärme möglicherweise Einschränkungen. Auch Abstandsgebote zum Nachbargrundstück können eine Rolle spielen. Bitte informieren Sie sich bei der Unteren Wasserbehörde des Kreises (oder der kreisfreien Stadt). Bohrungen mit einer Tiefe von mehr als 100 Metern erfordern eine bergrechtliche Genehmigung. Hier hilft Ihnen auf jeden Fall das beauftragte (Bohr-)Unternehmen.

Weitere Informationen:

Bestimmung von Erdwärmequellen für einen Standort: Informationssystem Oberflächennahe Geothermie der Staatlichen Geologischen Dienste

Leitfaden Erdwärmesonden – Tipps für Häuslebauer

Länderrichtlinien und Leitfäden der Bundesländer zur oberflächennahen Geothermie

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Was kostet eine Wärmepumpe?

Je nach Größe der Anlage können die Kosten für eine Wärmepumpe stark schwanken. Erdwärmepumpen erfordern zunächst Bohrungen für Erdwärmesonden bzw. verursachen Kosten für die Installation eines Erdwärmekollektors. Die Bohrkosten sind von der jeweiligen lokalen Geologie abhängig. Die Bohrkosten pro Meter liegen zwischen 45 und 80 Euro, einschließlich der Rohre und der Verfüllung. Bezogen auf die Leistung der Wärmepumpe müssen ca. 700 bis 1.000 Euro je Kilowatt für die Erschließung der unterirdischen Wärmequelle aufgebracht werden. Erdwärmepumpen zur Deckung des Wärmebedarfs eines durchschnittlichen Einfamilienhauses (ca. 12 kW Leistung) werden zu Kosten zwischen ca. 8.000 bis 12.000 Euro angeboten. Hinzu kommen Kosten für einen Pufferspeicher (ca. 1.000 Euro), für Montage und möglicherweise für den Einbau einer Fußbodenheizung (ca. 6.000 Euro). Eine komplette Heizanlage mit Erdwärmepumpe und Erdsonde erfordert somit eine Investition von ca. 17.000 bis ca. 25.000 Euro (mit Einbau einer Fußbodenheizung: 23.000 bis 31.000 Euro). Greift die Wärmepumpe auf Erdwärmekollektoren zurück, ist mit Anschaffungskosten von ca. 12.000 Euro zu rechnen, da die Erdarbeiten weniger aufwändig sind. Wärmepumpen, die auf die Wärmequelle der Umgebungsluft zurückgreifen, sogenannte Luft-Wärmepumpen, sind zwar ca. 25 % weniger effektiv und damit teurer, verursachen jedoch keinerlei Bohrkosten oder Erdarbeiten. Grundsätzlich können bei Neubauten die Kosten für den Schornstein eingespart werden.

Die Bundesregierung unterstützt die Anschaffung von Wärmepumpen mit der Wärmequelle Umgebungsluft in Altbauten mit maximal 1.500 Euro; im Neubau mit maximal 637,50 Euro. Erdwärmepumpen und Wärmepumpen mit sonstigen Wärmequellen (z.B. Grundwasser) werden in Altbauten mit maximal 3.000 Euro gefördert; im Neubau mit maximal 1.500 Euro. In gut gedämmten Gebäuden und/oder bei hohen Jahresarbeitszahlen kann sich die jeweilige Förderung verdoppeln.

Neben den Anschaffungskosten verursacht eine Wärmepumpe vor allem durch den Stromverbrauch regelmäßige Betriebskosten. Entscheidend ist hier das Verhältnis von eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge. Es sollte mindestens bei 1 : 3, besser jedoch beim Verhältnis 1 : 4 und höher liegen. Das bedeutet, dass eine Wärmepumpe mit einer Kilowattstunde Strom dann 3 bzw. 4 Kilowattstunden Wärme bereitstellen kann. Das Verhältnis von eingesetztem Strom zur bereitgestellten Wärmemenge wird auch als Jahresarbeitszahl bezeichnet – bei diesen Beispielen liegt die Jahresarbeitszahl bei 3 bzw. 4. Ist die Jahresarbeitszahl zu niedrig, wird eine unverhältnismäßig große Menge Strom eingesetzt, um eine zu geringe Menge Wärme bereitzustellen. Bei zu niedriger Arbeitszahl verliert eine Wärmepumpe möglicherweise auch den Anspruch auf staatliche Fördermittel.

Beispielrechnung für ein Einfamilienhaus, jährlicher Wärmebedarf 22.500 kWh

jährlicher Wärmebedarf (kWh)	Jahresarbeitszahl	Strompreis (Euro/kWh)	jährliche Stromkosten der Wärmepumpe	Effizienz und Umweltnutzen
22.500	2,5	0,13	1170 Euro	ineffizient/schlecht
22.500	3	0,13	975 Euro	±0
22.500	3,5	0,13	836 Euro	effizient/gut
22.500	4	0,13	731 Euro	effizient/gut
22.500	4,5	0,13	650 Euro	effizient/sehr gut

Unter Berücksichtigung der Anschaffungskosten und aller Betriebskosten einschließlich steigender Strompreise verursacht eine Erdwärmepumpe über einen Zeitraum von 20 Jahren insgesamt rund 62.000 Euro Gesamtkosten, während eine alte Erdgasheizung mit 125.000 Euro und eine Ölheizung mit bis zu 200.000 Euro zu Buche schlägt.

Weitere Informationen:

Grafik „Gesamtkostenvergleich: Erneuerbare Wärme vs. konventionelle Heizung“

Heizkostenrechner von co2-online

Angebots-Check für eine Erdwärmepumpe

Zertifizierte Wärmepumpeninstallateure finden beim Bundesverband Wärmepumpe

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Kann eine Erdwärmepumpe mit einer Solaranlage für die Energiespeicherung kombiniert werden?

Bei einer Kombination einer Solaranlage mit einer Erdwärmepumpe kann das Erdreich als natürlicher Wärmespeicher dienen. Die Solarwärme, die im Sommer nicht verbraucht werden kann, wird dazu in die Erdsonde und damit in das Erdreich geleitet. Die natürliche unterirdische Wärmequelle regeneriert sich dadurch besser. Im Umfeld der Erdsonde herrschen dank eingeleiteter Solarwärme höhere Temperaturen, wovon die Wärmepumpe bei steigendem Wärmebedarf im Winter profitiert.

Mehr Informationen:

Erdwärme und Solarenergie gut kombiniert

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