Potenziale und Möglichkeiten der Erdwärmenutzung: Oberflächennahe Geothermie, Klimatisierung, Energiespeicherung

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1 Potenziale und Möglichkeiten der Erdwärmenutzung: Oberflächennahe Geothermie, Klimatisierung, Energiespeicherung von Burkhard Sanner Einleitung Geothermische Energie erschöpft sich nicht in den Tiefen der Erdkruste, sondern reicht bis in oberflächennahe Bereiche hinein. Eine Definition für geothermische Energie lautet daher: "Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (Syn.: Erdwärme)" (VDI, 1998a:3). Dabei wird nicht danach gefragt, woher die Energie ursprünglich stammt (Oberfläche/Sonnenstrahlung oder geothermischer Wärmefluß), sondern von wo sie einer Nutzung zugeführt wird. Dies ist konsistent mit anderen Definitionen; Kohle wird ebenso nicht als Sonnenenergie angesehen (auch wenn das Ausgangsmaterial des Inkohlungsprozesses seine Energie aus Photosynthese bezogen hat). Der geothermische Wärmefluß, der ständig zur Erdoberfläche hin gerichtet ist, wird nur in den ersten m Tiefe von den jahreszeitlichen Temperatureinflüssen überlagert. Diese Einflüsse von der Oberfläche klingen zur Tiefe hin ab; der Bereich, in dem sie nicht mehr feststellbar sind, wird "Neutrale Zone" genannt. Auch die Neutrale Zone wurde bereits als Obergrenze der Geothermienutzung genannt, da unterhalb der Einfluß des geothermischen Wärmeflusses dominiert (RYBACH, 1994); für die Praxis ist die o.g. umfassendere Definition vorzuziehen, da die Oberfläche der festen Erde viel einfacher festzulegen ist als die Neutrale Zone (DIN, 1992). Als Oberflächennahe Geothermie bzw. Untiefe Geothermie (Schweiz) wird ein Teufenbereich bis etwa m bezeichnet (engl. "Shallow Geothermal Energy"). Die Untergrenze ist nicht fest definiert, sie ist durch die Nutzungstechniken und auch durch die Bohrverfahren bestimmt. Erdgekoppelte Wärmepumpen Die häufigste Methode zur Nutzung oberflächennaher Geothermie sind erdgekoppelte Wärmepumpen. Dabei dient das Erdreich über Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Grundwasserbrunnen oder andere Verfahren als Wärmequelle für Wärmepumpen (Tabelle 1). Bereits 1945 in den USA erstmals eingesetzt (CRANDALL. 1946), wurde die erste deutsche Anlage im Jahre 1969 gebaut (WATERKOTTE, 1972). Es handelte sich dabei um horizontale Erdwärmekollektoren. Eine umfassende Beschreibung und ausführliche Bibliographie zu erdgekoppelten Wärmepumpen ist in SANNER (1992) zu finden. Eine besonders zukunftsträchtige Variante der in Tabelle 1 genannten Verfahren sind Erdwärmesonden (RYBACH & HOPKIRK, 1995). Hierbei werden Wärmetauscherrohre in Bohrungen eingebracht oder, bei Lockergesteinen, auch direkt eingerammt, eingedrückt oder einge- 1

2 Tab. 1: Verschiedene Varianten erdgekoppelter Wärmepumpen Name Wärmeträger Bemerkungen spült. Erdwärmesonden können auch unter beengten Raumverhältnissen installiert werden. Die mögliche Tiefe von Erdwärmesonden in Bohrungen ist praktisch unbeschränkt, doch haben sich Tiefen zwischen 50 und 150 m als wirtschaftlich sinnvoll gezeigt. Sehr flache Erdwärmesonden (15-20 m) gibt es im Zusammenhang mit der Speicherung von Sonnenenergie. Erdwärmekollektoren 1,2-2,0 m Tiefe Erdwärme-sonden m Tiefe Energiepfähle 8-45 m Tiefe direkt gerammt: 8-30 m, nur in Lockergestein, Material Stahl (!) eingespült oder mit speziellen Hilfsmitteln gerammt: 8-30 m, Material Kunststoff gebohrt: m, ideal in Festgestein, Material Kunststoff Koaxialbrunnen120 - >200 m T. Hohe Bohrkosten, nicht überlastbar ("offene Erdwärmesonden") Grundwasserbrunnen 4-50 m Tiefe Grubenwasser-, Tunnelwassernutzung Tiefe Erdwärmesonde m T. Sole Kältemittel Sole Sole/Wasser Wasser Wasser Wasser Wasser ausreichende Fläche erforderlich, Sonderformen mit kompakten Kollektoren (Graben, Spiralen) Direktverdampfung, viel Kältemittel Gründungspfähle mit Wärmetauscherrohren, statische Funktion hat Vorrang mind. 2 Brunnen (Doublette), Grundwasserpumpe, Beachtung der Hydrochemie standortabhängig (z.t. nicht mehr oberflächennahe Geothermie sensu strictu) Nachnutzung von Altbohrungen (nicht mehr oberflächennahe Geothermie sensu strictu) Ein Heizsystem mit erdgekoppelter Wärmepumpe besteht aus drei Kreisläufen (Abb. 1): Wärmequellenkreislauf (Erdwärmesonde oder andere Erdreichankopplung) Wärmepumpen-Kreislauf (Wärmepumpen-Arbeitsmittel) Heizkreislauf (Niedertemperatur-Heizung) 2

3 Wärmepumpe Heizung Erdwärmesonden (Doppel-U) ca m tief Abb. 1: Erdgekoppelte Wärmepumpe mit (v.l.n.r.): Erdwärmesonde (Wärmequellenkreislauf), Wärmepumpen-Kreislauf und Heizkreislauf Die Erdwärmesonde (Abb. 2) entzieht die Untergrundwärme mit dem geschlossenen Wärmequellenkreislauf und führt diese der kalten (Verdampfer-)Seite einer Wärmepumpe zu. Als Wärmeträger zirkuliert Wasser in der Erdwärmesonde, mit einem Zusatz von umweltverträglichem Frostschutzmittel. Die Wärmepumpe ihrerseits bringt die so gewonnene Wärme auf das vom Heizkreislauf benötigte Temperaturniveau. Verschiedene Erdwärmesonden-Typen haben sich etabliert. Verwendet werden koaxiale oder U-förmige Rohre, die in hinterfüllten Bohrlöchern eingebracht werden (Hinterfüllung meist Bentonit-Zement). Die einwandfreie thermische Kopplung Sondenrohr/Erdreich (d.h. Hinterfüllung ohne Hohlräume) ist entscheidend. Werden für Bauwerke Pfahlgründungen benötigt, so lassen sich Wärmetauscherrohre auch in den Beton der Pfähle einbringen; das Resultat sind sogenannte "Energiepfähle". Abb. 2: Bauarten von Erdwärmesonden im Querschnitt Tiefe Erdwärmesonden, die als Nachnutzung vorhandener, nicht mehr verwendeter Tiefbohrungen aus der Kohlenwasserstoff- oder Geothermie-Erschließung sinnvoll sind, gehören mit 3

4 über 500 m Tiefe nicht mehr in den Bereich der oberflächennahen Geothermie. Hier sei nur auf die beiden ersten ausgeführten Beispiele verwiesen, die Tiefe Erdwärmesonde in Weggis in der Schweiz (2295 m, HOPKIRK et al., 1994) und diejenige in Prenzlau im Nordosten Brandenburgs (2800 m, SCHNEIDER et al., 1996). Eine zusammenfassende Darstellung der Verbindung von Geothermie mit Wärmepumpen findet sich bei SANNER et al. (1996). Für Auslegung und Installation erdgekoppelter Wärmepumpen gibt es seit Februar 1998 in Deutschland den Entwurf einer Richtlinie (VDI, 1998b). Wechselwirkung Erdwärmesonden- Erdreich/Grundwasser Durch die Wärmeentnahme (Erdwärmesonde als Wärmesenke) entsteht im Untergrund, je nach Entzugsleistung und -dauer, ein mehr oder weniger ausgeprägter thermischer Entzugstrichter. Dies ist vergleichbar mit dem Absenktrichter um einen Förderbrunnen in der Grundwasserhydraulik. Der Temperatur-Absenktrichter erzeugt einen horizontalen Temperaturgradienten und somit einen lateralen Wärmefluß zur Erdwärmesonde hin. Bei gleicher Trichtersteilheit (dt/dr) ist der Wärmefluß Q um so stärker, je höher die Wärmeleitfähigkeit λ des Erdreiches ist: Q = 2 π λ (dt/dr) Erdwärmesonden-Anlagen arbeiten in Formationen mit niedrigem λ wie z.b. trockenen Schottern und Sanden entsprechend schlecht bzw. erfordern zur Installation gleicher Leistungen größere Erdwärmesondenlängen als bei Material höherer Wärmeleitfähigkeit. Stehendes Grundwasser hat praktisch keinen Einfluß auf den Wärmeentzug. Fließendes Grundwasser bewirkt hingegen, je nach Darcy-Geschwindigkeit (Grundwas-serdurchsatzmenge pro m 2 Querschnitt der durchströmten Aquiferfläche), einen Wärmetransport (Advektion von Wärme zur Erdwärmesonde hin), begünstigt durch die hohe spezifische Wärmekapazität des Wassers. Dabei spielt die Gesamtwassermenge, die durch den Grundwasserleiter fließt, die entscheidende Rolle. In den letzten Jahren kam mehrfach die Diskussion um die Nachhaltigkeit oberflächennaher Geothermie auf. Während diese bei Anlagen mit weitgehend ausgeglichener Energiebilanz im Untergrund, wie unterirdischer thermischer Energiespeicherung oder Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen, nicht in Frage steht, ist sie bei reinem Wärmeentzug aus dem Erdreich natürlich zu überprüfen. Erdgekoppelte Wärmepumpen mit zu geringen Erdwärmesondenlängen, die eine stetig sinkende Wärmequellentemperatur über mehrere Jahre aufwiesen, haben hier ebenso Zweifel gesäht wie unter Extremlast durchgeführte Versuches in einer Testanlage in Burgdorf/Schweiz (WEA, 1996; s. dazu auch die Entgegnung in SANNER & RYBACH, 1997). Inzwischen liegen jedoch sowohl Messungen an einer Anlage als auch Extrapolationen mit numerischer Simulation vor (EUGSTER, 1998), die nachweisen, daß erdgekoppelte Wärmepumpen auch bei reinem Wärmeentzug (nur Heizbetrieb) nachhaltig zu betreiben sind, also tatsächlich erneuerbare Energie nutzen. Die Messungen wurden an der Erdwärmesondenanlage Elgg im Kanton Zürich durchgeführt (EUGSTER, 1991). Es handelt sich dabei um eine einzelne, 105 m tiefe Erdwärmesonde, die seit Dezember 1986 über eine Wärmepumpe ein Einfamilienhaus beheizt (keine Warm- 4

5 wasserbereitung). Die Koaxial-Erdwärmesonde aus PE hat eine Entzugsleistung von ca. 45 W/m und eine jährliche Entzugsarbeit von rund 90 kwh/m/a. Im Meßzeitraum zeigte sich, daß der Untergrund in der Umgebung der Erdwärmesonde in den ersten 2-3 Jahren abgekühlt wurde, danach stellte sich langsam ein neues Gleichgewicht etwa 1-2 K unter der Ausgangstemperatur ein. Weitere Messungen der Jahre zeigten keine neue Temperaturabsenkung. Die Meßergebnisse wurden verwendet, um ein Modell zur numerischen Simulation zu kalibrieren und Temperaturvorhersagen zu machen (EUGSTER, 1998). Die danach für das Jahr 1996 vorhergesagten Temperaturen wichen, außer in der oberen, vom Klima beeinflußten Zone, nur um maximal 0,2 K von den gemessenen ab. Diese hervorragende Übereinstimmung läßt eine Extrapolation des zukünftigen Verhaltens durch Modellierung zu (EUGSTER, 1998). So wurden weitere 19 Jahre (insges. 30 Betriebsjahre) und die anschließende thermische Regeneration nach einer angenommenen Betriebseinstellung der Anlage im Jahr 2016 berechnet. Die Temperaturkurven für 30 Betriebs- und 25 Regenerationsjahre zeigt Abb. 3; die Erholung der Untergrundtemperaturen ist fast vollkommen, und nach 25 Jahren wird noch ein Temperaturdefizit von maximal 0,15 K erwartet. Insgesamt zeigen die Messungen und Simulationsrechnungen, daß mit Erdwärmesonden eine nachhaltige Wärmelieferung erreicht werden kann (EUGSTER et al., 1999). Eine weitere Studie (HUBER & PAHUD, 1999) kommt ebenfalls zu diesem Ergebnis. Die Erdwärmesonde zeigt bei korrekter Auslegung, wie sie z.b. durch VDI 4640 vorgegeben werden soll, eine stabile und zuverlässige Leistung, die zu Recht als erneuerbare Energie gewertet werden kann. 0 K 20 m 5 m 40 m 0 K -2 K -2 K -4 K -4 K -6 K -6 K -8 K 0.3 m -8 K 1986/ / / / / /37 gemessen Betrieb simuliert Erholung nach Betriebsende simuliert Heizsaison (Jahre) Abb. 3: Temperaturentwicklung in der Anlage Elgg ZH, Schweiz; dargestellt ist die Veränderung gegenüber der ursprünglichen, unbeeinflußten Untergrundtemperatur in verschiedenen Abständen zwischen 0,3 und 40 m von der Erdwärmesonde. Daten der Jahre und gemessen (in 0,5 und 1 m Abstand) und für die Modellkalibrierung verwendet, Werte von zur Komplettierung von 30 Betriebsjahren und nachfolgende Regeneration über 25 Jahre simuliert (zusammengefaßt nach EUGSTER, 1998) 5

6 Mehrere Erdwärmesonden in geringem Abstand zueinander beeinflussen sich allerdings gegenseitig. Für einzelne, benachbarte Anlagen wurde von HOPKIRK & KÄLIN (1991) ein Mindestabstand von 5 m aus Simulationsrechnungen abgeleitet. Für größere Ansammlungen von Erdwärmesonden müssen die Sondenlängen gegenüber der einzelstehenden Anlage vergrößert werden, und zwar umso mehr, je dichter das Gelände belegt ist (Abb. 4). Gesteins-Wärmeleitfähigkeit 2 W/m/K J. J. Abstand zwischen den Erdwärmesonden (m) Abb. 4: Einfluß des Abstands zwischen den Erdwärmesonden auf die benötigte Erdwärmesondenlänge, berechnet für ein Feld mit 60 Häusern von je 7 kw Wärmebedarf und 2 Erdwärmesonden pro Haus. Kein Grundwasserfluß, keine künstliche Wiedererwärmung; berechnet für einen Zeitrahmen von 15 bzw. 30 Jahren. Kühlung mit Erdwärme In gemäßigten Breiten, wo die Erdreichtemperaturen um 10 C liegen, und wo die Kühllast eines Gebäudes nur einen Teil der Heizlast beträgt, kann das Wärmeträgermedium aus Erdwärmesonden, Energiepfählen o.a. im Sommer direkt zur Raumkühlung herangezogen werden (SANNER et al., 1996). Dies erfordert meist zusätzliche Kühlkreisläufe, wie z.b. Rohre in der Decke (Kühldecke, s. Abb. 5) oder eine separate Luftführung. Versuche mit Kühlung über Fußbodenheizungen waren inzwischen erfolgreich, so daß in vielen Fällen nun auf die bereits vorhandene Heizungsverteilung zum Kühlung zurückgegriffen werden kann. Insgesamt wird eine ausgesprochen energiesparende und kostengünstige Kühlung erreicht. Die erste Anlage mit direkter Kühlung aus Erdwärmesonden wurde 1987 in Wetzlar in Betrieb genommen (SANNER, 1990) In Fällen, in denen die direkte Kühlung nicht ausreicht, kann auch die Wärmepumpe als Kälteaggregat hinzugezogen werden. Schließlich transportiert eine Wärmepumpe Wärme von einem niedrigeren (Verdampfer) auf ein höheres (Kondensor) Temperaturniveau. Schaltet man nun die Komponenten einer erdgekoppelten Wärmepumpe z.b. durch ein Vier-Wege- Ventil im Arbeitsmittelkreislauf um, so kann Wärme aus dem Gebäude in den Untergrund abgeleitet werden. Die weite Verbreitung, die erdgekoppelte Wärmepumpen in Nordamerika gefunden haben, ist dieser Möglichkeit zu verdanken. 6

7 Heizkreislauf Kühldecke Pufferspeicher Fußbodenheizung WP Kühlkreislauf Erdwärmesonden Abb. 5: Anlagensschema mit direkter Kühlung und Kühldecken (Beispiel Anlage Geotherm, Linden) Kühlung, sei sie direkt oder wärmepumpenunterstützt, verbessert die Wirtschaftlichkeit erdgekoppelter Wärmepumpen deutlich. In einzelnen Fällen sind solche Anlagen bereits in den Investitionskosten günstiger als eine Heizung und eine getrennte Anlage zur Raumkühlung, meist weisen sie wenigstens kurze Amortisationszeiträume gegenüber der konventionellen Alternative auf. Der teure unterirdische Teil (Erdwärmesonden, Energiepfähle oder Brunnen) wird für beide Aufgaben verwendet; und bei der Kühlung wird der Stromeinsatz drastisch verringert, was ökologisch wie auch wirtschaftlich sehr günstig ist. Ein gutes Beispiel ist das 1992 gebaute Laborgebäude UEG in Wetzlar (SANNER & GONKA, 1996). Abb. 6 zeigt die Energiebilanz für diese Anlage. Ähnliche Anlagen existieren unter anderem in einem Werk zur Herstellung von Brillengläsern in Rathenow, im Umweltzentrum Cottbus, im Neandertalmuseum Düsseldorf/Mettmann und in einer Schmuckfabrik in Wollerau/Schweiz; die Zahl ist steigend, und einige größere Anlagen kommen dazu, wie z.b. die Zentrale der Deutschen Flugsicherung in Langen südlich Frankfurt/Main, wo 154 Erdwärmesonden von je 70 m Tiefe ab Juli 2000 erstellt werden sollen. Verluste Verteilung Endenergie 2 % Erdwärme (Strom) 94 % 37 % Kraftwerksverluste 56 % Nutzenergie 162 % Kälte aus dem Erdreich 31 % Bereitsstellung, Transport 5 % Primärenergie 100 % Schaubild Energiefluß Anlage UEG, Sommer 1995/Winter 1995/96 bezogen auf 100 % Primärenergie Abb. 6: Energiebilanz der Anlage UEG, Wetzlar 7

8 Unterirdische thermische Energiespeicher Der Untergrund eignet sich sehr gut als Wärme- und Kältespeicher (BAKEMA ET AL., 1995). Saisonale Kältespeicherung hat vor allem in den Niederlanden und Nordbelgien sowie in Südschweden eine große Verbreitung, wo Aquifere zur direkten Speicherung von Kälte im Grundwasser genutzt werden. Besonders interessante Beispiele sind etwa die Messehalle Prins van Oranje in Utrecht (NL), das Fußballstadion Gelredome in Arnhem (NL), die Hauptverwaltung der Fluglinie SAS bei Stockholm (S), oder das Bankgebäude der CERA- Bank bei Leuven (B). SANNER et al. (1996) beschreiben die Entwicklung dieser Technik von ihrem Beginn in den 60er Jahren an. Auch Wärme läßt sich in Aquiferen im Untergrund speichern, wie eine Anlage der Universität Utrecht zeigt, die die sommerliche Abwärme aus Blockheizkraftwerken bei etwa 90 C in einem mehr als 200 m tief gelegenen Aquifer für die Heizung im Winter puffert. Hochtemperatur-Untergrundspeicher (SANNER & KNOBLICH, 1999) müssen allerdings besonders sorgfältig geplant werden, besonders bei Aquiferspeichern, wo die Wasserchemie bei stark schwankenden Temperaturen zu beachten ist. Einfacher ist dagegen der Bau von Erdwärmesonden-Speichern, wie z.b. zur saisonalen Speicherung von Solarenergie für eine Wohnsiedlung in Neckarsulm praktiziert (SEIWALD & HAHNE, 1998). Eine Kombination eines Kälteund Wärmespeichers wurde im Rahmen der Energieversorgung der Parlamentsgebäude in Berlin (Reichstagsbereich) eingesetzt (SANNER et al., 1994; SEIBT & KABUS, 1997). Tab. 2 führt die jüngsten Beispiele von Hochtemperatur-Untergrundspeichern auf. Tab. 2: Neuere Anlagen mit Hochtemperatur-Untergrundspeicher Ort Typ Wärmequelle max. Temperatur Universität, Utrecht, NL Aquifer Abwärme BHKW 90 C Hooge Burch, Gouda, NL Aquifer Abwärme BHKW 90 C Reichstagsgebäude, Berlin, D Aquifer Abwärme BHKW 70 C Brinckmannshöhe, Rostock, D Aquifer Solarthermie 50 C Amorbach, Neckarsulm, D Erdwärmesonden Solarthermie 70 C Eine interessante Entwicklung mit großem Potential soll noch genannt werden, die Speicherung von Sonnenwärme zur Eis- und Schneefreihaltung von Straßen, Plätzen, Rollbahnen etc. Abb. 7 zeigt ein Schema. Die erste Anlage in Europa befindet sich in einer Brücke am Thuner See in der Schweiz; in Japan hat dieses Verfahren bereits eine weite Verbreitung gefunden, und auch in den USA sind die ersten Anlagen in Betrieb. 8

9 Fahrbahnheizung Pumpenhaus Thermischer Untergrundspeicher (Erdwärmesonden) Abb. 7: Schema eines Erdwärmesondenspeichers zur Brückenheizung; Wärmequelle ist die im Sommer auf die Fahrbahn treffende Solarstrahlung Aktuelle Entwicklungen der erdgekoppelten Wärmepumpe Ein Maß für die Effizienz einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage ist die Jahresarbeitszahl β. Sie gibt an, wieviel Einheiten Nutzenergie mit einer Einheit Antriebsenergie (Strom) erzeugt werden können; β = 3 bedeutet also, daß im Jahresmittel mit einer Kilowattstunde Strom 3 Kilowattstunden Heizwärme geliefert wurden. Mit erdgekoppelten Wärmepumpen sind inzwischen Jahresarbeitszahlen über β = 3 sicher zu erreichen, und weitere Entwicklungen auf dem Wärmepumpensektor wie auch Optimierung der Anlagentechnik lassen Steigerungen erwarten. Für korrekt ausgelegte Anlagen mit modernen Wärmepumpen kann eine Arbeitszahl von β 3,5 angesetzt werden. Im Markteinführungsprogramm erneuerbare Energien des BMWi wurde bis 1997 eine Jahresarbeitszahl von mindestens β = 3,2 und seit 1998 von β 3,8 gefordert. In diesem Programm wurden im Jahr 1997 insgesamt 1106 Wärmepumpenanlagen gefördert wurden (davon 180 mit Grundwasserbrunnen und 818 mit Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren). Über eine besonders umfangreiche Datenbasis zu erdgekoppelten Wärmepumpen verfügt die RWE Energie AG, die seit 1993 monovalente Wärmepumpenanlagen fördert und dabei auch Anlagendaten bis hin zu Messungen der Arbeitszahl an ausgewählten Anlagen erhebt. Die Jahresarbeitszahlen der Anlagen seit etwa 1994 liegen zwischen β = 3,5 und β = 4,1, wobei zu beachten ist, daß die betrachteten Anlagen i.d.r. nur die Heizung und nicht auch die Warmwasserbereitung übernehmen. In anderen Ländern haben erdgekoppelte Wärmepumpen bereits größere Verbreitung gefunden. Vorreiter ist seit etwa 1980 die Schweiz, wo z.zt. weit über Erdwärmesondenanlagen in Betrieb sind (bei über Heizungswärmepumpen). Im Neubau wird in jedem dritten Wohnhaus eine Wärmepumpe eingesetzt, und etwa 40 % davion mit Erdwärmesonden 9

10 (RYBACH & EUGSTER, 1999). Schweden als ein anderes klassisches Wärmepumpenland hat ca erdgekoppelte Wärmepumpen mit zusammen rund 330 MW Heizleistung (SANNER, 1999). Eine rasante Entwicklung zeigt sich momentan auch in den Niederlanden, wo nach frühen Versuchen ebenfalls um 1980 nun erst in den letzten Jahren eine erneute Marktentwicklung begann. Für 1997 sind insgesamt etwa 900 erdgekoppelte Wärmepumpen dokumentiert (SANNER, 1999), und die Entwicklung wird mit Unterstützung der niederländischen Energie- und Umweltagentur vorangetrieben. Die ersten größeren Neuanlagen für ganze Wohngebiete sind in den Niederlanden im Entstehen. Gegen Ende 1997 wurden im Ortsteil Grootstal in Nijmegen 36 Wohnhäuser mit Erdwärmesonden versehen (SNIJDERS & WENNECKES, 1997/98). In Deutschland sind an verschiedenen Stellen ganze Wohngebiete mit Erdwärmesonden im Bau; im März 2000 wurde in Werne (bei Hamm) das erste von ca. 130 Wohnhäusern in einem solchen Gebiet begonnen (Abb. 8). Ein etwas kleineres Wohngebiet mit knapp 100 Häusern mit Erdwärmesonden wird seit Juni 2000 im Dortmunder Stadtteil Mengede erschlossen. Abb. 8: Vorschlag zur Anordnung der Erdwärmesonden in Werne-Fürstenhof, bei einer tieferen Sonde ( m) pro Wohnhaus (statt der rechts im Bild gezeigten Gewerbezeile werden weitere Wohnhäuser erstellt) 10

11 Schlußfolgerungen In den vergangenen Jahren ist die oberflächennahe Geothermie mehr und mehr aus einem Schattendasein herausgetreten. Erdgekoppelte Wärmepumpen sind keine exotischen Einzelfälle mehr, sondern z.b. in der Schweiz eine selbstverständliche Alternative zu anderen Heizsystemen. In Deutschland, wo für erdgekoppelte Wärmepumpen ein Potential von etwa 960 PJ/Jahr ermittelt wurde (etwa 10 % des gesamten Endenergieverbrauchs, nach KALTSCHMITT et al, 1997), gibt es noch einen erheblichen Nachholbedarf und damit umgekehrt ein großes Betätigungsfeld. Ausdauer und Kreativität bei der Weiterentwicklung haben aus einer vor zwanzig Jahren noch belächelten und mit vielfältigen Problemen kämpfenden Technik ein zuverlässiges, energiesparendes Heizsystem werden lassen. Die VDI-Richtlinie 4640, deren erste beiden Blätter im Entwurf vorliegen und nach den Einspruchssitzungen nunmehr im Weißdruck erscheinen werden, soll mithelfen, den Einsatz erdgekoppelter Wärmepumpen umweltgerecht und nachhaltig zu gestalten. Ziel muß die Zufriedenheit sowohl der Anlagenplaner und -bauer mit einem sicheren, marktgerechten Produkt als auch der Kunden mit einer zuverlässigen, wirtschaftlichen Heizung sein. Schrifttum Bakema, G., Snijders, A. & Nordell, B. (Hrsg.) (1995): Underground Thermal Energy Storage, State of the Art S., IF Technology, Arnhem Crandall A.C. (1946): House Heating with Earth Heat Pump. - Electrical World 126/19, S , New York DIN (1992): DIN 4049, Teil 1: Hydrologie, Grundbegriffe. - 12/1992, Beuth-Verlag, Berlin Eugster, W.J. (1991): Erdwärmesonden - Funktionsweise und Wechselwirkung mit dem geologischen Untergrund. - Dissertation Nr. 9524, ETH, Zürich Eugster, W.J. & Rybach, L. (1997): Langzeitverhalten von Erdwärmesonden - Messungen und Modellrechnungen am Beispiel einer Anlage in Elgg (ZH), Schweiz. - IZW-Bericht 2/97, Karlsruhe, im Druck Eugster, W.J. (1998): Langzeitverhalten der Erdwärmesonden-Anlage in Elgg/ZH S:, Schlussbericht PSEL-Projekt 102, Polydynamics, Zürich Eugster, W.J., Hopkirk, R.J. & Rybach, L. (1999): Ist untiefe Geothermie erneuerbar? 11 S., Schlußbericht BfE DIS-Proj.-Nr. 29'606, Zürich Gilby, D.J. & Hopkirk, R.J. (1985): The coaxial vertical heat probe with solar recharge, numerical simulation and performance evaluation. - Proc. 2nd WS on SAHPGCS Wien, S , JRC, Ispra Hopkirk, R.J. & Kälin, B. (1991): Auslegungskriterien für Erdwärmesondenheizungen. - Symp. Erdgekoppelte Wärmepumpen Rauischholzhausen, IZW-Berichte 3/91, S , Karlsruhe 11

12 Hopkirk, R.J., Rybach, L. & Stadler, T. (1994): Tiefe Erdwärmesonden. - IZW-Bericht 1/94, S , Karlsruhe Huber, A. & Pahud, D. (1999): Untiefe Geothermie: Woher kommt die Energie? 17 S., Schlußbericht BfE Proj.-Nr. 33'206, Zürich/Lausanne Kaltschmitt, M., Lux, R. und Sanner, B. (1997): Oberflächennahe Erdwärmenutzung. - in: Erneuerbare Energien, Hrsg. M. Kaltschmitt und A. Wiese, S , 2. Aufl., Springer Verlag, Berlin Rybach, L. (1994): Zur Definition des Begriffs "Untiefe Geothermie". - IZW-Bericht 1/94, S. 9-11, Karlsruhe Rybach, L & Hopkirk, R.J. (1995): Shallow and deep borehole heat exchangers - Achievements and prospects. - Proc. World Geothermal Congress Firenze, S , IGA, Auckland Rybach, L. & Eugster, W.J. (1998): Reliable long-term performance of BHE systems and market penetration - the Swiss success story. - J. Underground Thermal Storage and Utilization Vol. 1, Stockton College, Pomona USA Sanner, B. (1990): Ground Coupled Heat Pump Systems, R&D and practical experiences in FRG. - Proc. 3rd IEA Heat Pump Conf. Tokyo 1990, pp , Pergamon Press, Oxford Sanner, B. (1992): Erdgekoppelte Wärmepumpen, Geschichte, Systeme, Auslegung, Installation. - IZW-Bericht 2/92, 328 S., Karlsruhe Sanner, B., Knoblich, K., Klugescheid, M. & Reichmann, J. (1994): Studie für einen saisonalen Wärme-/Kälte-Speicher am Reichstagsgebäude in Berlin. - Proc. 9. Int. Sonnenforum Stuttgart, pp , DGS Verlag, München Sanner, B. (1995): Earth Heat Pumps and Underground Thermal Energy Storage in Germany. - Proc. World Geothermal Congress Firenze, S , IGA, Auckland Sanner, B., Klugescheid, M., Knoblich, K. & Gonka, T. (1996): Saisonale Kältespeicherung im Erdreich. - Giessener Geologische Schriften 59, 181 S., Gießen Sanner, B. & Gonka, T. (1996): Oberflächennahe Erdwärmenutzung im Laborgebäude UEG, Wetzlar. - Oberhess. Naturw. Zeitschr. 58, S , Gießen Sanner, B., Hopkirk, R.J., Kabus, F., Ritter, W. & Rybach, L. (1996): Practical experiences in Europe of the combination of geothermal energy and heat pumps. - Proc. IEA Conference on Heat Pumping Technologies 96 Toronto, Vol. I, S , IEA-HPC, Sittard Sanner, B., Rybach, L. & Eugster, W.J. (1997): Erdwärmesonden Burgdorf - ein Programm und viele Mißverständnisse. - Geothermie CH 1/97, S. 4-6, Zürich 1997 Sanner, B. (1999): Prospects for ground source heat pumps in Europe. - Newsletter IEA Heat Pump Center 17/1, S , Sittard 12

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