Chancen und Hemmnisse bei erdgekoppelten Wärmepumpen

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1 5. Norddeutsche Geothermietagung Chancen und Hemmnisse bei erdgekoppelten Wärmepumpen Dr. Erich Mands Geologe Dr. Mands & Sauer GbR Reinbergstr., 3558 Wetzlar

2 5. Norddeutsche Geothermietagung Chancen durch erdgekoppelte Wärmepumpen: Primärenergieeinsparung, CO -Emissionsminderung 1 6 Emission bzw. Primärenergiefaktor (%) Primärenergiefaktor gegenüber Gas/Öl CO-Emissionen gegenüber Heizöl CO-Emissionen gegenüber Erdgas 3, 3, 3,4 3,6 3,8 4, 4, 4,4 4,6 4,8 5, Jahresarbeitszahl Wärmepumpenanlage Jahresarbeitszahl min. 3,1 max. 5,1 erdgek. Wärmepumpen min.,3 max. 3,4 Luft-Wärmepumpen Primärenergie (berechnet mit Werten aus EnEV 9) CO -Emissionen (berechnet mit Werten von BMU) Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpenanlagen aus Feldtest (nach Angaben aus Miara et al., 11) Wird mit jeder Verbesserung im Strom-Mix günstiger!

3 Erdgekoppelte Wärmepumpen tragen bereits deutlich zur Versorgung mit sauberer Heizenergie bei! Wärmeproduktion aller erdgekoppelten Wärmepumpen (TWh/a) Abgabe Heizung Aufnahme geothermisch eingesparte Primärenergie Primärenergieeinsparung % Primärenergieeinsparung (%) Jährliche Wärmeproduktion erdgekoppelter Wärmepumpen in Deutschland (berechnet aus Daten BWP)

4 Verbreitung Erdgekoppelter Wärmepumpen Anzahl Wärmepumpen (<5 kw) und installierte Leistung in der EU 1 Zusätzliche Wichtige Märkte: Norwegen, Schweiz aus: Heat Pump Barometer EUROBSERV ER September 11

5 Chancen durch technische Weiterentwicklung gab es in jüngerer Zeit vor allem noch auf folgenden Gebieten: Bohrverfahren und -geräte Erdwärmesondenbau Verpressmaterial Abdichtung verschiedener Grundwasserleiter gegeneinander und zur Oberfläche, auch bei artesischen Verhältnissen Erdgekoppelte Wärmepumpen im Gebäudebestand Senkung der Investitionskosten durch technische Maßnahmen Senkung der Betriebskosten durch erhöhte Effizienz

6 Leitfäden der Länder Grundsätzlich positiv sind folgende Ansätze, Einteilung der Landesfläche in unterschiedliche Kategorien, zur Prognose bei Beginn der Planungen und für Arbeitserleichterungen während des Verfahrens aber Probleme z.b. bei kurzfristigen Neueinstufungen Beigabe von Formblättern zur Vereinfachung der Antragstellung und bearbeitung aber Gefahr des Formalismus (Zwang zur Nutzung der Formulare) Verweis auf VDI 464 für die technischen Details, Verpflichtung auf Einhaltung dieser und anderer einschlägiger Richtlinien aber: Ärgerlich ist es, wenn sich in Leitfäden Fehler bei der Interpretation von technischen Regeln zeigen; so z.b. im Leitfaden Saarland ein Gebot mit Bezug auf VDI 464, grundsätzlich alle einzelnen Rohrkreise einer Doppel-U-Sonde zum Verteiler zu führen, was so gar nicht in VDI 464 steht.

7 Informationssysteme und Datenbanken der Länder

8 5. Norddeutsche Geothermietagung Seit dem Rekordwachstum 6 deutliche Rückgänge im Verkauf erdgekoppelter Wärmepumpen 1 35 WP Geothermie 3 % Wachstum Marktentwicklung -1 (nach Daten BWP) Wachstum gegenüber Vorjahr (%) Anzahl verkaufte WP 4

9 5. Norddeutsche Geothermietagung Die Entwicklung der Verkaufszahlen hat ihre wesentliche Erklärung natürlich im Preis für die Vergleichsenergie, gegen die bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage die möglichen Energiekosteneinsparungen gerechnet werden. 7,7 5,5 Heizölpreis für Haushalte (Preisbasis 5) 4,4 3,3, Heizölpreis für Haushalte (nominal) , , Marktentwicklung -11 (nach Daten BWP und Stat. BA) Heizölpreis Haushalt, ohne MWSt ( /l),6 Erdgekoppelte WP 1978 Anzahl verkaufter Wärmepumpen (x 1) Luft-Wärmepumpen 6

10 Ein weiteren Einfluss stellt die Bautätigkeit dar. 5. Anzahl neuer Gebäude pro Jahr Wohngebäude Nichtwohngeb

11 Heizungsarten bei nicht Wohngebäuden 1% Neue NichtWohngebäude 8% Sonstige Solarenergie 6% Wärmepumpe Fernwärme Strom 4% Gas Öl % Koks/Kohle Fernwärme vor geschätzt % Wohngebäude Anzahl neuer Gebäude pro Jahr Nichtwohngeb

12 Heizungsarten bei neuen Wohngebäuden 1% 9% Neue Wohngebäude 8% Sonstige 7% Solarenergie 6% Wärmepumpe 5% Fernwärme 4% Strom Gas 3% Öl % Koks/Kohle Fernwärme vor geschätzt 1% % Wohngebäude Anzahl neuer Gebäude pro Jahr Nichtwohngeb

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14 Beispielrechnung: Annahmen: Einfamilienhaus 15m² mit 5W/m² Heizlast = 3,75 KW Warmwasser =,5 KW Summe =6 KW Untergrund mit mittlerer Wärmeleitfähigkeit von,3 W/mK Oberflächentemperatur 9 C Auslegung bis C in der Basislast und -5 C in der Spitzenlast Arbeitszahl 4 (gesamt) Benötigte Bohrmeter 1x11 m / Doppel U EWS 7 Fluid-Mitteltemperatur Spitzenlast Kühlen Spitzenlast Heizen 6 Fluid-Mitteltemperatur [ C] JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL Jahr 5 AUG SEP OKT NOV DEZ

15 Amortisationszeit bei 5,3 ct/kwh Strompreis und 7,5 ct/kwh Gaspreis = 17,4 Jahre Amortisationszeit bei,99 ct/kwh (ohne EEG und KWK und anteilige Mwst. auf beides) und 7,5 ct/kwh Gaspreis = 13,1 Jahre Durch EEG und KWK Abgaben erhöht sich die Amortisationszeit um 4,3 Jahre

16 Forschungsförderung der EU Mio Mittel für die Energieforschung in FP Schätzung NNE Euratom Geothermie für nicht-nukleare Energieforschung sind jährlich im Schnitt 314 Mio vorgesehen dagegen 584 Mio für Euratom! Geothermieforschung aus FP7 wie auch aus anderen Programmen wie IEE: knapp 3 Mio pro Jahr (<1 % von NNE)

17 Forschungsförderung der EU Mio Mittel für die Geothermieforschung in FP6, FP7 und IEE (ALTENER) 1, 9, 8, 7, 6, ALTENER FP6, FP7 EGS Soultz Gesamtbudget im Jahr des Projektbeginns dargestellt FP: Forschungsrahmenprogramme 5, 4, 3,, 1,, Durch ALTENER (Teil des Programms IEE, Intelligent Energy Europe ) werden nichttechnische Projekte gefördert

18 Anzahl jährlich verkaufter erdgekoppelter Wärmepumpen in Deutschland im Vergleich mit den Zielen im NREAP 5 NREAP: National Renewable Energy Action Plan Daten berechnet durch EGEC aus den NREAPAngaben: Will die Bundesrepublik Deutschland wirklich einen schrumpfenden wärmepumpenmarkt?? 15 1 calculated from NREAP 5 statistical data BWP Number of GSHP installed annually 3

19 Hemmnisse sind die möglichen Gefahren durch Oberflächennahe Geothermie Mögliche Schäden Grundwassergefährdung durch unzureichende Ausführung der Arbeiten: - Kurzfristige Gefahren während Bohrarbeiten - Längerfristige Gefahren (Einsickern von Oberflächenwasser, Verbindung von Grundwasserleitern usw.) - Leckage von Wärmeträgermedien Gegenmaßnahmen - Schulung des Personals - Zertifizierung von Bohrfirmen - Überwachung der Bohr- und Installationsarbeiten (Stichproben!) Verbände, Ausbildungseinrichtungen (von Berufsschule bis Universität)

20 Mögliche Gefahren durch Oberflächennahe Geothermie Mögliche Schäden Gegenmaßnahmen Grundwassergefährdung durch unzureichende Ausführung der Arbeiten: - Kurzfristige Gefahren während Bohrarbeiten - Längerfristige Gefahren (Einsickern von Oberflächenwasser, Verbindung von Grundwasserleitern usw.) - Leckage von Wärmeträgermedien - Schulung des Personals - Zertifizierung von Bohrfirmen - Überwachung der Bohr- und Installationsarbeiten (Stichproben!) Geologische und hydrogeologische Risiken bei Bohrungen (unabhängig von Geothermie): - gespannte oder artesische Grundwässer - Ablaufen von Grundwasser in tiefere Grundwasserleiter, reziproker Arteser - quellfähige oder auslaugungsfähige Gesteine - Bereitstellen von Geoinformationen und Karten (Behörden) - Vorbereitet sein auf derartige Ereignisse; Gerätschaften, Material und Handlungspläne (Bohrfirmen) In letzter Konsequenz ist es eine Frage der Qualität der Bohrarbeiten; des Wissenstandes der Bohrmannschaft und der Ausrüstung vor Ort sowie der Informationen die im Vorfeld zur Verfügung gestellt werden. Verbände, Ausbildungseinrichtungen (von Berufsschule bis Universität)

21 Mögliche Gefahren durch Oberflächennahe Geothermie Mögliche Schäden Gegenmaßnahmen Grundwassergefährdung durch unzureichende Ausführung der Arbeiten: - Kurzfristige Gefahren während Bohrarbeiten - Längerfristige Gefahren (Einsickern von Oberflächenwasser, Verbindung von Grundwasserleitern usw.) - Leckage von Wärmeträgermedien - Schulung des Personals - Zertifizierung von Bohrfirmen - Überwachung der Bohr- und Installationsarbeiten (Stichproben!) Geologische und hydrogeologische Risiken bei Bohrungen (unabhängig von Geothermie): - gespannte oder artesische Grundwässer - Ablaufen von Grundwasser in tiefere Grundwasserleiter, reziproker Arteser - quellfähige oder auslaugungsfähige Gesteine - Bereitstellen von Geoinformationen und Karten (Behörden) - Vorbereitet sein auf derartige Ereignisse; Gerätschaften, Material und Handlungspläne (Bohrfirmen) Auswirkungen aus dem Anlagenbetrieb (mögliche Schäden durch thermische Veränderungen) - Ausgeglichener Betrieb, Monitoring (bei erdgekoppelten Wärmepumpen Gefahr nur bei großen Anlagen und höheren Einleitetemperaturen) Verbände, Ausbildungseinrichtungen (von Berufsschule bis Universität)

22 Hemmnis Forderung nach Mindest-Bohrdurchmesser: sind die Unterschiede geologisch begründet? bislang keine wissenschaftliche Basis für Forderung 5 Stuttgart mm Durchmesser (mm) BB BE BW BY HB HE HH MV NI NW RP SL SN ST TH

23 Genehmigungsdauer in der Regel akzeptabel (im Mittel ca. 1 Monat), in Einzelfällen länger, teilweise aber unberechenbar. Sehr negativ wirkt sich die zum Teil vollständige Fremdüberwachung der Bohrarbeiten aus. Diese Kosten erhöhen die Amortisationszeit bis hin zur Projektaufgabe. Genehmigungskosten Kosten in den einzelnen Bundesländern stark unterschiedlich Bayern betreibt Outsourcing der Begutachtung kW-Anlage in günstigem Gebiet bzw. ohne weitere Erschwernisse 1 1 Euro zwingende Kosten für Genehmigung 8 andere Behördengebühren Gebühr Erlaubnis Geophysik 6 4 Geol. Auskunft Gutachten PSW SL MV BB BY ST NI NW SN RP SH HH BE HB BW TH HE

24 Weitere Hemmnisse sind: stark unterschiedliche Anforderungen in den Bundesländern Zusätzliche Kosten durch Auflagen (Überwachung, Abnahme) Beschränkungen der Minimaltemperatur, Bohrtiefe, Mindestbohrdurchmesser Extreme nicht nachvollziehbare Hemmnisse: Geophysik in Berlin Arbeitszahl-Einhaltung im Raum Frankfurt Outsourcing in Bayern Einige Bundesländer legen das BBergG so aus, dass auch schon kleine Anlagen mit 3 KW nur noch nach Bergrecht bewilligt werden können.

25 Einhaltung Minimaltemperaturen Folgen verschiedener Minimaltemperaturen für die Auslegung Erdwärmesonden-Gesamtlänge (m) Auslegung ohne Frostschutz 1 Auslegung frostfrei Auslegungsbedingungen SIA 384/6 Anlage 15 kw Heizen, 1 h/a, λ =,5 W/m/K Mindesttemperatur Austritt WP ( C) EWS-Gesamtlänge für verschiedene Mindesttemperaturen

26 Einhaltung Minimaltemperaturen Folgen verschiedener Minimaltemperaturen für die Auslegung Amortisationszeit der zuvor angeführten Anlage steigt bei Wasserbetrieb auf 47 Jahre und bei Betrieb > C auf 1 Jahre (ohne EEG und KWK Abgaben) 9 Erdwärmesonden-Gesamtlänge (m) Auslegung ohne Frostschutz 1 Auslegung frostfrei Auslegungsbedingungen SIA 384/6 Anlage 15 kw Heizen, 1 h/a, λ =,5 W/m/K Mindesttemperatur Austritt WP ( C) EWS-Gesamtlänge für verschiedene Mindesttemperaturen

27 Neu aufkommendes Problem Wasser-/Bergrecht: Umgang mit dem 4 BBergG in Hessen Für kleine Anlagen (meist bis 3 kw) wird in allen Bundesländern gefordert, dass die Erdwärmesonden innerhalb des Grundstücks liegen müssen, ggf. mit einem bestimmten Grenzabstand von bis zu 5 m Für größere Anlagen muss meistens nachgewiesen werden, dass die Abkühlung des Untergrunds an der Grundstücksgrenze einen bestimmten Wert nicht überschreitet, i.d.r. 1- K Nur in Hessen wird der Nachweis einer Temperaturabsenkung von K gefordert, also keinerlei Änderung was aber rein physikalisch nicht möglich ist, wenn in einem Festkörper (Erdreich) an einer Stelle Wärme entzogen wird. In Hessen müssten danach in Zukunft alle größeren Erdwärmeanlagen ein Bergrechtsfeld erhalten (das dann mit 1 K oder K Temperaturabsenkung abgegrenzt wird)

28 Ein Maßnahmenpaket zur Verbesserung der Genehmigungslage muss aus folgenden Säulen bestehen: Bohrfirmen - Gute Ausbildung des Bohrpersonals und qualitätsorientierte Firmenphilosophie, bestätigt durch Zertifizierung - Stichprobenartige Überwachung zertifizierter Unternehmen (oder von Verbands-Mitgliedsunternehmen) - Ausreichende Versicherung für eigene Fehler - Ausreichende Versicherung für mögliche Schäden aus Baugrundrisiko (z.b. Arteser oder Setzungen) wäre eigentlich Sache des Bauherrn, sollte aber vom ausführenden Unternehmen übernommen werden, da der Endkunde das Risiko selber gar nicht einschätzen kann

29 Ein Maßnahmenpaket zur Verbesserung der Genehmigungslage muss aus folgenden Säulen bestehen: Behörden - Information und Fortbildung für die Mitarbeiter - Entscheidungen auf Basis eines praktikablen Grundwasserschutzes, ohne Einbezug sachfremder Anforderungen - Beschränkung von Auflagen auf das notwendige Minimum > tatsächlich zum Grundwasserschutz notwendige Auflagen > tatsächlich notwendige Untersuchungen und Überwachungsmessungen - Keine Forderung nach einem hydrogeologischen Zustand, der besser als der Zustand vor dem Bau der Erdwärmeanlage ist - Niedrige Kosten für die Genehmigung selbst (Gebühren)

30 Maßnahmenkatalog für die politischen Entscheidungsträger Die Politik ist gefordert schnell zu reagieren, um zu verhindern, dass das gut gemeinte EEG nicht zu einer weiteren Benachteiligung der oberflächennahen Geothermie führt. Immerhin sind ca. 1. Arbeitsplätze mit der Geothermie verankert (Quelle:GTV inkl. Tiefengeothermie). Das Hauptaugenmerk der Politik erscheint auf den Bereich der Stromversorgung gerichtet zu sein. Wärmerzeugung muss mehr in den Fokus rücken.

31 Gute Ansätze sind: EU-Vorhaben ReGeoCities wurde im Frühjahr 1 gestartet, um mit Teilnehmern aus 11 Ländern der EU Vorschläge für die bessere Integration von Oberflächennaher Geothermie in die Regional- und Stadtplanung zu erarbeiten. Näheres unter: Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!