Energiepo Westerwald - Geothermie -

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1 Energiepo portal Westerwald - Geothermie - Kreisverwaltung des Westerwaldkreises, Abt.7/70 Umweltschutz und Landespflege Olaf Glasner Tel.: 02602/ Quelle: Alle Informationen aus dem Portal für Energiesparen und Erneuerbare Energien, Erdwärme oder Geothermie - was ist das? Unter Erdwärme versteht man die im Boden in Form von Wärme gespeicherte Energie. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energien wie Wasser-, Solar- und Windenergie steht die Erdwärme unabhängig von Jahres- und Tageszeit fast überall und jederzeit zur Verfügung. Sie stellt eine nahezu unerschöpfliche und regenerative Energiequelle dar. Bei der Erdwärmenutzung wird die so genannte Tiefengeothermie von der oberflächennahen Geothermie unterschieden. Die Tiefengeothermie nutzt die sehr hohen Temperaturen im Erdinneren mit Bohrtiefen von mehreren tausend Metern. Hier wird mittels eines Kreislaufs im Erdinneren erhitzter Wasserdampf zum Antrieb einer Turbine sowie zum Heizen von Gebäuden in einem Nahwärmenetzverbund genutzt. In Rheinland-Pfalz eignet sich nur die Region um Landau/Pfalz für diese Art der Nutzung. Dort arbeitet man an einem Geothermiekraftwerk, für das zwei Bohrungen zu je m abgeteuft wurden. Das Kraftwerk soll sowohl zur Stromerzeugung als auch zur Wärmeversorgung von Gebäuden dienen. So wird es eine elektrische Geothermie Seite 1 von 8

2 Leistung von 2 bis 2,5 MW haben und damit ca Haushalte mit umweltschonender elektrischer Energie versorgen können. Mit der aus dem Wasser gewonnenen Wärme soll aber nicht nur Strom erzeugt werden, sondern es werden auch 300 Haushalte in der näheren Umgebung mit Wärme versorgt. Zu einem späteren Zeitpunkt soll diese Leistung etwa auf das Dreifache erhöht werden. Dieses Projekt zeigt das enorme Potenzial im Bereich der Nutzung von Erdwärme zur sauberen, effektiven Energiegewinnung. Näheres hierzu: In Deutschland nimmt die Temperatur in den tieferen Gesteinsschichten im Durchschnitt um 3 C pro 100 m Tiefe (geothermischer Gradient) zu. Der vom Erdinneren zur Erdoberfläche gerichtete terrestrische Wärmestrom entsteht vor allem durch den Zerfall radioaktiver Elemente (Uran, Thorium, Kalium) in den tieferen Erdschichten. Unter oberflächennaher Geothermie versteht man den Tiefenbereich von wenigen Metern bis zu 400 m. In diesem Bereich spielt die durch Sonneneinstrahlung eingebrachte Wärmeenergie über Sicker- und Grundwässer eine wichtige Rolle. Welche Art der oberflächennahen Wärmegewinnung gibt es? Im privaten Bereich wird aus Kostengründen vorwiegend von oberflächennaher Erdwärme Gebrauch gemacht (geschätzt: > 2000 Vorhaben / Jahr in Rheinland-Pfalz). Dabei werden verschiedene technische Systeme eingesetzt. So werden Bohrungen für Erdwärmesonden mit einer Tiefe von wenigen Metern bis über 400 Metern abgeteuft. In der Regel werden sie in Deutschland aus genehmigungsrechtlichen Gründen aber meist nur bis 100 m Tiefe ausgeführt. Geothermie Seite 2 von 8

3 Erdwärmekollektoren werden hingegen horizontal und oberflächennah verlegt (Verlegetiefe 1,2-2 m). Da der Verlegeabstand der einzelnen Schleifen zwischen 0,3-0,8 m beträgt, benötigen Kollektorfelder eine entsprechend große Fläche (1,5 bis 2-fach der zu beheizenden Fläche). Wo diese vorhanden ist, können sie eine wirtschaftlich interessante Alternative zu den an Bohrungen gebundenen Erdwärmesonden darstellen. Bei den genannten Verfahren wird Erdwärme in einem geschlossenen Kreislauf dem Untergrund entzogen und einer Wärmepumpe zugeführt. Mit Hilfe der Wärmepumpe wird die Wärme unter Einsatz von elektrischer Energie für den Antriebsmotor auf ein zum Heizen und für Warmwasser notwendiges Temperaturniveau angehoben. Sie arbeitet nach dem umgekehrten Kühlschrankprinzip. Dabei liegt bei richtiger Auslegung der Anlage die aufzuwendende Energie erheblich unter der gewonnenen Menge an Wärmeenergie. So können z.b. aus 1 Kilowattstunde eingesetztem Strom mehr als 4 Kilowattstunden Wärme erzeugt werden. Das Verhältnis von gewonnener Energie zu eingesetzter Energie (Leistungsziffer) ist dabei vom Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und der Wärmeabgabe abhängig. Erhöhte Wärmequellentemperaturen und geringere Heizungsvorlauftemperaturen führen zu hohen Leistungsziffern. Die Nutzung von Erdwärme als Wärmequelle bietet hierfür die notwendigen Voraussetzungen. In entgegengesetzter Weise lässt sich dieses Prinzip (z.b. im Sommer) aber auch zur Kühlung verwenden, in dem überschüssige Wärme an den Untergrund abgegeben werden kann. Im Gegensatz zu den geschlossenen Kreislaufsystemen wird bei offenen Kreislaufsystemen das über Förderbrunnen entnommene Grundwasser direkt der Wärmepumpe zugeführt und das abgekühlte Wasser über Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingeleitet. Geothermie Seite 3 von 8

4 Eine richtige Dimensionierung der Anlagen für den benötigten Wärmebedarf ist Voraussetzung, um spätere technische und wirtschaftliche Nachteile zu vermeiden. Die Planung und Durchführung von Baumaßnahmen für Erdwärmesonden kann der Bauherr mit einer Heizungs- oder Installationsfirma durchführen oder sich direkt an spezialisierte und zertifizierte Bohrunternehmen wenden. Diese Unternehmen helfen auch bei der Bearbeitung der erforderlichen behördlichen Anträge. Die Kontaktaufnahme mit dem zuständigen regionalen Energieversorgungsunternehmen (Stromanbieter) kann ergänzende Hinweise geben. Neben den oben gezeigten Varianten der Erdsonde und des Flächenkollektors gibt es im Bereich der Erdwärme noch die bereits genannte Grundwasserwärmepumpe. An geeigneten Standorten lässt sich Grundwasser über Brunnen entnehmen und direkt zur Wärmepumpe bringen. Es muss jedoch wieder in den Untergrund eingeleitet werden, so dass neben einem Förderbrunnen auch ein Schluckbrunnen einzurichten ist. Grundwasserwärmepumpen können relativ hohe Wärmequellentemperaturen nutzen und vermeiden Wärmetauscherverluste im Untergrund. Diese Systeme sind also viel wirtschaftlicher als andere Erdwärme-Heizsysteme. Bei Anlagen > 15 kw sind sie sogar weitaus preiswerter in der Installation als andere Anlagen. Wichtig sind eine gute Qualität und ein ausreichendes Vorkommen des Grundwassers Was ist bei der Planung von Erdwärmeanlagen zu beachten? Optimale Wärmedämmung des Gebäudes und der Einsatz eines Niedertemperatur-Heizsystems. Anzeige der Bohrung(en) bei der Unteren Wasserbehörde (Kreisverwaltung bzw. Stadtverwaltung); dort Entscheidung, ob Anlage genehmigungspflichtig ist (z.b. wegen Trinkwasserschutz). Anzeige der Bohrung(en) beim Landesamt für Geologie und Bergbau (Mainz) mindestens 2 Wochen vor Beginn. Durchführung und Ausbau der Bohrung nach VDI Richtlinie Geothermie Seite 4 von 8

5 Was sind Wärmepumpen? Auch im Winter bei niedrigen Temperaturen enthalten Erdreich und Grundwasser viel Wärme. Wärmepumpen können diese Wärmequellen nutzen, indem sie das Temperaturniveau der entnommenen Wärme anheben und anschließend in Hausheizungen einspeisen. In Kühlschränken werden Lebensmittel gekühlt. Dazu zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf im Gerät ein Kältemittel. Dieses Arbeitsmittel nimmt Wärme im Kühlschrankinneren auf, um sie an der Geräterückseite an die Umgebung abzugeben. Eine Wärmepumpe funktioniert nach dem gleichen Prinzip, wobei jedoch die Wärme und nicht die Kälte genutzt wird. Sie entnimmt Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aus einer äußeren Wärmequelle, z. B. Erdreich, Grundwasser oder Außenluft. Diese hebt sie dann auf ein Temperaturniveau an, das für eine Hausheizung benötigt wird. Für diesen Temperaturhub benötigt die Wärmepumpe eine Antriebsenergie. Ziel einer guten Wärmepumpenanlage ist, dass die so aus der Umwelt entnommene Wärme um ein Mehrfaches größer ist als die zur Temperaturanhebung erforderliche Antriebsenergie. In Europa dominierte angesichts der klimatischen Bedingungen die Anwendung in Heizsystemen. Geothermie Seite 5 von 8

6 Nach den Ölkrisen der 70er Jahre stieg die Zahl der in Deutschland installierten Wärmepumpen stark an. Wieder sinkende Energiepreise und technische Probleme der Anlagen ließen die Verkaufszahlen zwischen einbrechen. Mittlerweile sind die technischen Schwachstellen behoben, die Anlagen arbeiten zuverlässig und mit besseren Leistungen. Seit 1993 steigt die Zahl der installierten Wärmepumpen wieder an. Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Die Heimat der Wärmepumpe in der Physik ist die Thermodynamik, die Lehre über Energieumwandlung und Wärmeströme. Vor allem drei physikalische Prinzipien sind zum Verständnis einer Wärmepumpe grundlegend: Alltägliche Erfahrung ist, heißer Kaffee wird mit der Zeit kälter und gekühlte Getränke wärmer. Beide Temperaturen gleichen sich an die Raumtemperatur an und es entsteht ein Wärmestrom. Dieser fließt selbständig nur von einem höheren zu einem tieferen Temperaturniveau. Um Wärme gegen die natürliche Richtung fließen zu lassen, muss eine Pumpe arbeiten. Wärme verhält sich hier wie Wasser, das selbstständig bergab fließt, bergauf aber gepumpt werden muss. Zweitens liegt die Siedetemperatur von Flüssigkeiten bei niedrigerem Druck tiefer als bei hohem Druck. Im Hochgebirge siedet Wasser bei niedrigeren Temperaturen als auf Meereshöhe. Drittens erfordert ein Verdampfungsprozess Energie, die bei einer Kondensation wieder frei wird. Führt man in einem kreisförmigen Prozess, z. B. in einer Wärmepumpe, zuerst eine Verdampfung und dann eine Kondensation durch, hat man Wärme transportiert. Geothermie Seite 6 von 8

7 Die Abbildung zeigt den Kreisprozess in einer Wärmepumpe: In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel. Die wichtigste Eigenschaft von Kältemitteln ist, dass sie auch bei niedrigen Temperaturen leicht verdampfen. Durch Expansion sinkt die Temperatur des Kältemittels unter das Niveau der Umgebungswärme ab. Diese Temperaturdifferenz zwischen z. B. oberflächennahen Erdschichten und dem Kältemittel ermöglicht einen Wärmestrom zum Verdampfer. Anschließend wird der Kältemitteldampf vom Verdichter angesaugt und komprimiert. Durch diese Druckerhöhung wird die Temperatur des Kältemittels über das Niveau der Hausheizung angehoben. Am Verflüssiger liegt wieder eine Temperaturdifferenz vor und es kommt zu einem Wärmestrom zur Heizung. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel kühlt wieder ab, kondensiert und wird über ein Drosselventil entspannt. Anschließend beginnt der Kreisprozess, d. h. verdampfen verdichten verflüssigen entspannen, von neuem. Entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung. Je geringer sie ausfällt, umso bessere Leistungen werden ermöglicht. Bei einer Wärmepumpenheizung sind dabei die winterlichen Klimabedingungen ausschlaggebend. Von Vorteil sind demnach Wärmequellen, die im Winter über möglichst hohe Temperaturen verfügen, und Heizungssysteme, die mit möglichst niedrigen Temperaturen arbeiten. Quelle: BINE Informationsdienst - "Wärmepumpen", basisenergie 10 Förderung von effizienten Wärmepumpen nach dem Marktanreizprogramm der Bundesregierung Förderfähig sind effiziente Wärmepumpen, die sowohl die Raumwärme als auch das Warmwasser eines Gebäudes bereitstellen. Voraussetzungen für die Förderfähigkeit a. Einbau eines Strom- und Wärmemengenzählers für elektrisch angetriebene Wärmepumpen zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl gemäß VDI 4650, b. Einbau eines Gas- und Wärmemengenzählers für gasmotorisch angetriebene Wärmepumpen, c. Vorliegen einer Fachunternehmererklärung des folgenden Inhalts: o Bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen: Nachweis einer Jahresarbeitszahl von mindestens 4,0 bei Sole/ Wasser- und Wasser/Wasser- Wärmepumpen im Neubau bzw. mindestens 3,7 im Gebäudebestand, o bei Luft/Wasserwärmepumpen von mindestens 3,5 im Neubau bzw. 3,3 im Gebäudebestand. Geothermie Seite 7 von 8

8 o o o Bei gasmotorisch angetriebenen Wärmepumpen Nachweis einer Jahresarbeitszahl von mindestens 1,2. Der hydraulische Abgleich der Heizungsanlage wurde durchgeführt. Die Heizkurve der Heizungsanlage wurde an das entsprechende Gebäude angepasst. Die Jahresarbeitszahl bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen ist das Ergebnis der Division der abgegebenen Wärmemenge durch die eingesetzte Strommenge einschließlich der Strommenge für den Betrieb der peripheren Verbraucher, insbesondere der Grundwasserpumpe, der Soleumwälzpumpe, des Notheizstabes und der Regelung. Bei der Nutzung von Wärmepumpen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, ist der Energieinhalt der eingesetzten Energie einschließlich der Strommenge für den Betrieb der peripheren Verbraucher in die Division nach Satz 1 einzusetzen. Der für die Berechnung der Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 benötigte COP-Wert ist in Anlehnung an DIN EN 255 oder DIN EN bei Luft/Wasser- Wärmepumpen unter Berücksichtigung der normativen Medientemperaturen A7/W35, A2/W35 und A10/W35, bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen unter Berücksichtigung der normativen Medientemperaturen W10/W35 und bei Sole/Wasser-Wärmepumpen unter Berücksichtigung der normativen Medientemperaturen B0/W35 zu ermitteln. In Bestandsbauten ist eine Heizungsvorlauftemperatur von 55 C und eine Heizgrenztemperatur von 15 C anzusetzen, sofern nicht geringere Werte nachgewiesen werden. Ansprechpartner Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, Referate 433/434/435 Frankfurter Straße 29 35, Eschborn, Telefon: Zur Kontaktaufnahme mit bitte das Formular im Menü Kontakt (Bereich: Energie / Adressat: Erneuerbare Energien) benutzen. Geothermie Seite 8 von 8