Erdwärme. Heizenergie mit Zukunft. Amt für Wasser- und Bodenschutz

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1 Erdwärme Heizenergie mit Zukunft Schwarzwald-Baar-Kreis Amt für Wasser- und Bodenschutz 1

2 Liebe Mitbürgerinnen, liebe Mitbürger, Karl Heim nicht nur aufgrund steigender Energiepreise stellt sich für uns alle die Frage nach alternativen Energiequellen. Die anhaltende Diskussion um den Klimawandel macht auch vor dem Schwarzwald-Baar- Kreis nicht halt und es ist dringend geboten, den Verbrauch fossiler Energieträger wie Kohle, Öl oder Erdgas und die Erzeugung von klimaschädlichen Gasen wie CO 2 zu reduzieren. Zudem werden diese Rohstoffvorkommen in nicht allzu ferner Zukunft aufgebraucht sein. Künftig werden daher regenerative Energiequellen eine immer größere Bedeutung erlangen, ja erlangen müssen, wollen wir das globale Ziel einer Begrenzung der Klimaerwärmung um maximal 2 C erreichen. Eine zunehmend wichtige Rolle spielt hierbei eine Energie, die im Inneren unseres Planeten Erde im Überfluss produziert wird: Erdwärme. Selbstverständlich kann Erdwärme (Geothermie) auch im Schwarzwald-Baar-Kreis genutzt werden. Andererseits sind die meist zur Erdwärmenutzung erforderlichen Bohrungen nicht überall ohne weiteres möglich. In Wasserschutzgebieten und im Umfeld von Mineralwasservorkommen muss dem dauerhaften Schutz des Grundwassers Vorrang eingeräumt werden. Außerdem sind die geologischen Besonderheiten im Schwarzwald-Baar-Kreis zu beachten, mit Hilfe derer sich das Kreisgebiet in günstige oder weniger günstige Zonen einteilen lässt. Diese Informationsbroschüre will die ökologischen und geologischen Rahmenbedingungen sowie die zu beachtenden technischen und wirtschaftlichen Aspekte bei der Erdwärmenutzung im Schwarzwald-Baar-Kreis aufzeigen. Ich würde mich freuen, wenn diese umweltfreundliche Form der Energiegewinnung hierdurch künftig vermehrt Berücksichtigung auch in unserem Landkreis finden würde. Landrat Karl Heim 2

3 Erdwärme In jedem Haushalt gibt es eine Vielzahl an Geräten, die Energie verbrauchen. Das Statistische Bundesamt hat für das Jahr 2004 festgestellt, dass ca. 76% des gesamten Energieverbrauchs eines Durchschnittshaushaltes auf die Beheizung bzw. Kühlung von Räumen entfallen. Die Warmwasserbereitung benötigt immerhin noch 11%, alle anderen elektrischen Geräte wie Computer, Staubsauger, Kühlschrank usw. zusammen lediglich 12%, auf die Beleuchtung entfällt sogar nur 1%. Diese Heizenergie wird heutzutage meist noch aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Öl und Gas erzeugt, wodurch die Atmosphäre mit klimaverändernden Gasen (z.b. CO 2 ) belastet wird. Die Nutzung der Erdwärme bietet eine Möglichkeit, die steigende Nachfrage nach kostengünstiger und umweltfreundlicher Heizenergie zu decken. Durch die jahreszeitlichen Temperatur [ C] Temperaturunterschiede 0 kommt es an der Erdoberfläche (bis 15 m Tiefe) zu 5 deutlichen Temperaturschwankungen. In tieferen 10 Schichten kommt die Wärme aus dem Erdinneren Februar 15 hinzu, womit die Temperaturschwankungen ver- Mai August 20 schwinden (siehe Abbildung). Somit herrscht in November ca. 20 m Tiefe ganzjährig eine Temperatur zwischen 6 und 10 C. Danach steigt die Temperatur durchschnittlich um 3 C pro 100 m an. Diese Temperaturen sind ein Maß für die gespeicherte Wärmeenergie. Die als Erdwärme gespeicherte Energie kann durch verschiedene Erdwärmetauscher aus dem Boden gewonnen werden. Um die benötigte Energie direkt zur Beheizung von Räumen zu nutzen, ist die Temperatur aus dem Erdreich noch zu niedrig. Tiefe [m] Energieverbrauch Temperaturverlauf im Untergrund Funktionsweise einer Erdwärme-Heizung 3

4 Strom Deshalb muss sie mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein höheres Niveau angehoben Heizwärme werden. Im Wärmetauscher zirkuliert ein Kältemittel mit niedriger Siedetemperatur, Verflüssiger das durch die Wärme aus der Erde verdampft wird. Ein Elektromotor komprimiert Verdichter den Dampf, wodurch dieser stark erhitzt wird. Der heiße Dampf gibt dann die Wärme Expansionsventil eine Niedertemperaturheizung, z.b. eine an das Heizungswasser ab, welches über Fußbodenheizung, verteilt wird. Das verwendete Kältemittel kühlt dabei ab und verflüs- Verdampfer sigt sich am Expansionsventil wieder (siehe Abbildung). Für die Beheizung von Räumen Erdwärme genügen in der Regel Temperaturen von C. Soll zusätzlich Brauchwasser erhitzt werden, benötigt man hierzu mindestens 65 C. In umgekehrter Weise kann dieses Prinzip in heißen Monaten auch zur Kühlung von Räumen genutzt werden. Energiebilanz Ein Maß für die Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpe ist die Leistungszahl. Sie beschreibt das momentane Verhältnis der abge- 4

5 gebenen Wärmeleistung in kwh zur aufgenommenen elektrischen Antriebsleistung. Je größer die Leistungszahl ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Um die Leistung der gesamten Heizungsanlage zu beschreiben, wird die Jahresarbeitszahl herangezogen. Sie entspricht dem Verhältnis aus der jährlich abgegebenen Wärmeenergie zur jährlich aufgenommenen Antriebsenergie. Wir empfehlen grundsätzlich den Einbau eines Wärmezählers. Moderne Erdwärmeheizungsanlagen kommen auf eine Jahresarbeitszahl von 4, d.h. 75 % der gesamten Heizenergie werden der Erde mit einem zusätzlichen Aufwand von 25 % elektrischer Energie für den Antrieb der Erdwärmesonde entzogen. Der Anteil des benötigten Stroms ist abgesehen von Kostenersparnissen auch unter ökologischen Aspekten wichtig. Die aufgewendete Primärenergie wird letztendlich nur zu gut einem Drittel in Strom umgesetzt*. Der Rest geht im Kraftwerk und auf dem Transportweg als Abwärme verloren. Erdwärme-Heizungsanlagen ab einer Jahresarbeitszahl von 3,0 weisen somit bessere Werte bezüglich Primärenergieverbrauch und CO 2 -Ausstoß auf als konventionelle Heizungsanlagen. Die gesamte Heizungsanlage arbeitet umso wirtschaftlicher, je kleiner der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (Erdboden) und dem Wärmeverbraucher (Heizung) ist. Wirtschaftlichkeit * bezogen auf den deutschen Strommix; Strom aus erneuerbaren Energien hat eine deutlich bessere Ökobilanz 5

6 1 2 Rechtliche Hinweise lgrb/download_pool/ auftrag_erdwaermesonden.pdf lgrb/home/leitfaden_erdwaerme 1 Erdwärmesonden Gemäß Wasserrecht ist jedes Vorhaben der Erdwärmenutzung beim Landratsamt, Amt für Wasser- und Bodenschutz, anzuzeigen ( 37 WG). Bei Bohrungen mit Bohrtiefen über 100 m ist ein bergrechtlicher Freigabebescheid des LGRB (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg) erforderlich. Da Erdwärmesysteme einen nicht unerheblichen Eingriff in das Grundwasser bedeuten können, kann eine wasserrechtliche Erlaubnis notwendig sein. Die Behörde prüft den Sachverhalt und teilt das Ergebnis mit. Generell sind auch die Grenzabstände und die Abstände zu anderen Erdwämesonden zu berücksichtigen. Der genaue Ablauf zur Genehmigung ist dem Leitfaden des Umweltministeriums zu entnehmen. Eine Erdwärmesonde ist meist als Doppel-U-Sonde oder manchmal auch als Koaxial-Kunststoffrohr-Sonde konzipiert. Die Sonde wird in ein senkrechtes Bohrloch eingesetzt und zunächst mit Wasser befüllt. Anschließend wird die Bohrung mit einem Spezial- Betongemisch unter Druck verfüllt. Durch dieses wird der Wärmeaustausch zwischen Sonde und Erdreich ermöglicht. Die Flüssigkeit in der Sonde kann die Wärme aufnehmen und diese über eine Wärmepumpe im Haus abgeben. 6

7 3 4 Je nach Energiebedarf sind somit für ein Einfamilienhaus ein bis zwei Sonden nötig. Erdwärmekollektoren sind im Allgemeinen Kunststoffschläuche, die in vielen parallelen Kreisläufen verlegt werden. Es wird etwa die doppelte der zu beheizenden Wohnfläche mit Erdkollektoren ausgelegt. Sie darf nicht überbaut oder versiegelt werden. Steht diese Fläche nicht vollständig zur Verfügung, besteht die Möglichkeit mit Grabenkollektoren oder spiralförmigen Erdwärmekörben in die Tiefe auszuweichen. Der Bau von Brunnen zur Nutzung oberfl ächennaher Grundwasservorkommen als Energiequelle erfordert generell eine wasserrechtliche Erlaubnis durch das Landratsamt. Eine Wärmepumpe arbeitet bei einer Grundwassertemperatur von 7-10 C im Sommer wie im Winter sehr wirtschaftlich. Es muss allerdings genügend Grundwasser mit einer ausreichend guten Qualität vorhanden sein. Ebenfalls müssen die hydrogeologischen Voraussetzungen in diesem Gebiet stimmen damit diese Technik eingesetzt werden kann. Erdwärme- 2 kollektoren Erdwärmekörbe 3 Brunnenanlage 4 7

8 Standortbeurteilung zur Errichtung von Erdwärmesonden Zone Grün Zone Hellgrün Zone Gelb WSG Zone I & Zone II WSG Zone III Profilschnitt In Zone Grün sind in der Regel gute Bohrbedingungen anzutreffen. Hier ist eine Bohrung ohne Tiefenbegrenzung möglich. In der Zone Hellgrün sind die Bohrbedingungen bis zu einer Tiefe von 100 m in der Regel ebenfalls gut. In Zone Gelb sind dagegen kritische Gesteinsschichten bereits direkt unter der Erdoberfläche oder in einer Tiefe bis 100 m anzutreffen. Es können z.b. im Keuper und Muschelkalk durch vorhandene Karsthohlräume problematische Bohrbedingungen entstehen oder es kann zur hydraulischen Verbindung von mehreren Grundwasserleitern kommen. In den Wasserschutzgebieten der Zone I und Zone II sowie im engeren Einzugsbereich von Mineralwasserbrunnen sind Bohrungen untersagt. In Zone III sind Bohrungen nur im Ausnahmefall nach Einzelfallprüfung und unter bestimmten Auflagen möglich. Als Alternative zur Erdwärmesonde können auch Erdwärmekollektoren und -körbe geprüft werden. Bei Bohrungen im Nahbereich von Wasserschutzgebieten erfolgt ebenfalls eine Einzelfallprüfung. Die rote Linie stellt den Profilschnitt auf Seite 10 und 11 durch den Landkreis dar. 8

9 Die Karte stellt keine Planungsgrundlage dar. Profilschnitt 9

10 Standort- 1 2 NW Zone Grün ca. 960 m Schwarzwald Die Möglichkeit der Nutzung von Erdwärme ist davon abhängig, ob durch die Bohrung mit einer Gefährdung des Grundwassers zu rechnen ist. Wird eine Deckschicht über dem Grundwasser durchstoßen, können Schadstoffe von der Oberfl äche in den Grundwasserleiter gelangen. Die Karte auf Seite 8 und 9 zeigt die unterschiedliche Eignung der Gebiete des Schwarzwald-Baar-Kreises für die Errichtung von Erdwärmesondenanlagen. Die Farbkodierung nach dem Ampelsystem soll eine schnelle Einschätzung der Eignung des Standortes ermöglichen. Dunkelgrüne Flächen sind wasserwirtschaftlich problemlos für die Nutzung der Erdwärme geeignet. Die Gesteine hier besitzen zudem eine meist überdurchschnittliche Wärmeleitfähigkeit. In den hellgrünen Bereichen der Karte stehen ab einer Tiefe von 100 m geologische Schichten an, die für die Installation einer Erdwärmesonde anspruchsvoller sind, weil sie Grundwasser führen oder z.b. Brigach Zone Gelb ca. 700 m ca. 770 m Grundgebirge Buntsandstein Mittlerer Muschelkalk Unterer Muschelkalk Erstellt nach Kösel & Rilling (2002)

11 Oberer Muschelkalk Brauner Jura (Dogger) beurteilung Karsthohlräume angetroffen werden können. Für Bohrungen bis 100 m Tiefe genügt auch hier ein vereinfachtes Erlaubnisverfahren. Bohrungen >100 m Tiefe unterliegen einer Einzelfallprüfung. In den gelb unterlegten Flächen befi nden sich diese meist problematischen grundwasserführenden Gesteinsschichten bereits direkt unter der Erdoberfl äche. Da hier die Gefahr der Beeinträchtigung des Grundwassers besteht, ist zur Errichtung einer Erdwärmebohrung die Gestattung des Landratsamtes im förmlichen Erlaubnisverfahren erforderlich. Wasserschutzgebiete sind nicht zur Nutzung von Erdwärme geeignet, in Einzelfällen ist in Schutzgebieten der Zone III (orange) jedoch eine Ausnahmegenehmigung möglich. Hierzu muss durch ein hydrogeologisches Gutachten nachgewiesen werden, dass es durch die Bohrungen zu keiner schädlichen Beeinfl ussung des Wasservorkommens kommen kann. Eine solche Ausnahmegenehmigung geht allerdings mit erhöhten Anforderungen an Bau und Betrieb der Erdwärmesonde einher. In Wasserschutzgebieten der Schutzzone I und II (rot) sowie im näheren Einzugsgebiet von Mineralbrunnen ist die Errichtung von Wärmesonden gänzlich untersagt. Rietbaar Ostbaar Alb 3 SE Zone Hellgrün ca. 890 m Weißer Jura (Malm) ca. 740 m ca. 680 m Mittlerer Keuper Schwarzer Jura (Lias) 3 11

12 Finanzen Investitionskosten Rechenbeispiel Die Entscheidung für eine Erdwärmeanlage an einem geeigneten Standort lohnt sich auch in fi nanzieller Hinsicht. Anfangs muss mit höheren Investitionskosten im Vergleich zu einer Öl- oder Gasheizung gleicher Leistungsfähigkeit gerechnet werden, doch durch deutlich geringere laufende Kosten kann sich eine Erdwärmeanlage schon nach wenigen Jahren rechnen. Die Nutzung der kostenlosen Erdwärme ist vom kontinuierlichen Anstieg der Ölund Gaspreise weitgehend unabhängig. Heizungstyp Energiepreise Gesamtkosten** Öl Ölverbrauch l* 9.6 ct/kwh Wärmebedarf kwh 150m2 Neubau Stand: 02/08 Gas Erdwärme Gasverbrauch m 3* Stromverbrauch kwh Erdwärme kwh (Arbeitszahl: 4) 6.0 ct/kwh 17.7 ct/kwh kostenlos Einsparung 890 / 266 * Brennwerte: Öl: 10 kwh/l, Erdgas: 12 kwh/m 3 ; Wirkungsgrad Öl 85%, Gas 90% ** Öl: 82 ct/l, Erdgas: 5,4 ct/kwh, Strom: 17.7 ct/kwh Das Rechenbeispiel gilt für einen durchschnittlichen 4-Personenhaushalt und vergleicht die laufenden Kosten eines Jahres einer Öl- bzw. Gasheizung mit denen einer Erdwärmeheizung. 12

13 Fördermittel Eine Reihe von Förderprogrammen federn die höheren Investitionskosten etwas ab. Für die Beratung bei einer Altbausanierung oder für einen Energiecheck vor Ort, durch einen qualifi zierten Gebäudeenergieberater, können bis zu 250,- Euro Beratungskosten übernommen werden. Zuschüsse und zinsgünstige Kredite mit bis zu 100 % Vorfi nanzierung sind sowohl vom Bund ( Ökologisch Bauen, Wohnraum modernisieren, CO 2 -Gebäudesanierungsprogramm ), vom Land Baden-Württemberg ( Wohnen mit Zukunft, Energie- Spar-Check ) als auch von der Kreditanstalt für Wiederaufbau zu erhalten. Darüberhinaus fördert der Bund seit mit dem Marktanreizprogramm erneuerbare Energien Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung und Gebäudebeheizung. Die Förderhöhe kann bis zu 2000,- (Neubauten) bzw. 3000,- Euro (Bestandsgebäude) betragen. Details und Voraussetzungen zu den jeweiligen Förderprogrammen bieten die Internetseiten der Bürgerinformation neue Energietechniken (BINE) sowie des Bundesumweltministeriums. Förderprogramme

14 Checkliste Rechtzeitige Planung Behörde home/leitfaden_erdwaerme Qualität Erfahrung & Referenzen Förderprogramme Damit Sie ohne größere Probleme zu Ihrem Erdwärmesystem kommen, sollten Sie einige Dinge beachten: Kümmern Sie sich rechtzeitig um die Planung Ihres Erdwärmesystems. Klären Sie mit Hilfe dieser Broschüre frühzeitig, ob eine Erdwärmenutzung auf Ihrem Grundstück überhaupt möglich ist. Das landesweite Informationssystem Geothermie ist für den Landkreis noch in Bearbeitung (teilw. bereits verfügbar). Zeigen Sie Ihr Vorhaben zur Erdwärmenutzung rechtzeitig beim Landratsamt an. Wenn Sie die Anzeige von Erdwärmeanlagen nicht von einem Planungsbüro durchführen lassen, sollten Sie im Leitfaden des Umweltministeriums die Kapitel 4 und 5 berücksichtigen, um Ihren Behördengang so kurz wie möglich halten zu können. Achten Sie auf die Qualität der Anlage. Wenn Sie an der falschen Stelle sparen, um in die Nähe der Investitionskosten von konventionellen Heizungssystemen zu kommen, können Sie böse Überraschungen erleben. Dies geschieht, wenn Arbeiten möglicherweise nicht fachmännisch durchgeführt werden oder wenn die Arbeitsleistung des Erdwärmesystems zu gering ausgelegt und dadurch die Effizienz nicht hoch genug ist. Auch das Teuerste muss nicht das Beste sein. Achten Sie hierbei also auf einen vernünftigen Mittelweg. Arbeiten Sie mit kompetenten Planungsbüros, Bohrfirmen und Installateurbetrieben zusammen, die über Erfahrung und gute Referenzen verfügen. Dadurch können evtl. auftretende Probleme schon im Vorfeld vermieden werden. Förderprogramme müssen rechtzeitig beantragt werden. Die unterschiedlichen Vergabebestimmungen der jeweiligen Förderprogramme sind zu berücksichtigen. Teilweise sind die Fördermittel sogar vor Beauftragung von Planungs- und Installationsbetrieben zu beantragen. Durch die Beachtung dieser Tipps können Sie bei einer kompetenten Planung und bedarfsgerechten Auslegung des Systems mit einer langen Lebensdauer und einem ökonomisch und ökologisch effizienten Betrieb der Anlage rechnen. 14

15 Informationen Informationen des Landes Baden-Württemberg Umfangreiche Broschüre Wärme ist unter uns 131 Seiten, zu beziehen über das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg Bürgerinformation neue Energietechnik (BINE) Informationsdienst für erneuerbare Energien und Energieeffi zienz Ansprechpartner: LRA Schwarzwald-Baar-Kreis Amt für Wasser- und Bodenschutz Am Hoptbühl Villingen-Schwenningen wasseramt@lrasbk.de Martin Fetscher Dieter Wenzler Tel.: / Bundesverband Wärmepumpe KEA- Klimaschutz- und Energieagentur BW GmbH Energieagentur Regio Freiburg GmbH WDR-Sendung Planet Wissen: leicht verständliche Erklärungen zum Prinzip der Erdwärme, Kurzfi lme (Suchbegriff Erdwärme ) Impressum: Text und Gestaltung: Bruno Konnerth, Hagen Krohn & Sebastian Schneider Universität Tübingen, Zentrum für Angewandte Geowissenschaften Mit Unterstützung von: Systherma GmbH, Starzach-Felldorf Bund der Energieverbraucher Initiativkreis [Wärme+] Fachinformationen zur Wärmepumpe für Bauherren, Planer und Presse Deutsche Energie-Agentur (dena) Druck: Revellio Druck + Medien GmbH Kerstin Jenneßen Karlsruher Straße Villingen-Schwenningen Herausgeber: Landratsamt Schwarzwald-Baar-Kreis Am Hoptbühl Villingen-Schwenningen 1. Aufl age, April

16 Mit freundlicher Unterstüzung von: 16