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Informationen zur Erdwärmenutzung

Grundlagen der Erdwärmegewinnung

Energiegewinnung aus Erdwärme; Quelle: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie
Energiegewinnung aus Erdwärme; Quelle: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

Im Bereich des Erdkerns herrschen hohe Temperaturen von ungefähr 6700 °C. Dies ist die gespeicherte Gravitationsenergie aus der Entstehungszeit der Erde vor ca. 4,5 Milliarden Jahren. Durch den Zerfall natürlicher radioaktiver Isotope wird zudem in der oberen Erdkruste beständig Wärme frei gesetzt. Der Wärmestrom dieser terrestrischen Energie aus der Tiefe an die Erdoberfläche beträgt in Deutschland ca. 70 mW/m² und ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der tieferen Gesteinsschichten. Die Temperatur der Erdkruste nimmt durchschnittlich um 3 Grad Celsius pro 100 Meter Tiefe zu. Diese in der Erde gespeicherte Energie lässt sich jedoch nur aus größeren Tiefen im Kraftwerksbetrieb wirtschaftlich gewinnen.

Für einzelne Bauwerke, vom Einfamilienhaus bis zum Bürokomplex, lassen sich die oberen Erdschichten zur Energiegewinnung nutzen. Die Energie stammt hier zu einem großen Teil aus dem solaren Wärmestrom und wird durch direkte Einstrahlung beziehungsweise mit dem versickernden Niederschlag in das Erdreich eingetragen. Dementsprechend kommt es im oberflächennahen Bereich zu jahreszeitlichen Schwankungen der Temperatur, die sich mit der Tiefe ausgleichen. Ab einer Tiefe von ungefähr 15 Metern herrschen ganzjährig konstant etwa 12 Grad Celcius. Dieses Temperaturniveau lässt sich sowohl zur sommerlichen Raumklimatisierung als auch in Verbindung mit einer Wärmepumpe zu Heizzwecken im Winter nutzen.

Die Energie kann direkt aus dem Grundwasser mit Hilfe eines Förder-/Schluckbrunnensystems gewonnen werden. Dabei werden die höchsten Wirkungsgrade erzielt. Aufgrund der in Bremen relativ hohen Eisengehalte im Grundwasser ist diese Technik jedoch anfällig für Störungen und wird heute kaum noch eingesetzt.

Die indirekte Energiegewinnung über einen Wärmetauscher als geschlossenes System ist von der Grundwasserbelastung mit Eisen nicht betroffen. Hier zirkuliert ein Solekreislauf durch den Wärmetauscher der auf verschiedene Arten in den Untergrund eingebracht werden kann.

In einer Tiefe von ca. 1,5 m wird auf einem Grundstück ein flächenhaft ausgelegter Wärmetauscher (Kollektor) in den Untergrund eingebracht. Für dieses System muss eine ausreichend große Fläche zur Verfügung stehen. Als Faustregel wird hier das 1,5 fache der zu beheizenden Gebäudefläche vorgeschlagen. Der Wirkungsgrad ist aufgrund der geringen Temperaturen in den obersten Bodenschichten während der Heizphase geringer als bei Erdwärmesonden.

Die Erdwärmesonden bestehen aus bis zu 200 m langen Polyethylen-Sondenbündeln (in der Regel Doppel-U-Rohre), in denen - wie bei den Kollektoren - ein Solekreislauf zirkuliert. Mit diesen vertikalen Wärmetauschern können bei geringem Platzbedarf höhere Wirkungsgrade als bei den Flächenkollektoren erreicht werden.

Eine weitere Form der geschlossenen Systeme sind Energiepfähle, bei denen erdberührende Bauteile, wie z.B. Stützpfähle, mit einem Wärmetauscher ausgerüstet werden. Diese Systeme werden häufig bei Gewerbebauten eingesetzt. Sie bieten eine günstige Möglichkeit zur sommerlichen Raumklimatisierung, bei der die Wärme in den Untergrund abgeführt wird. Diese kann im Winter teilweise wieder gewonnen werden, der Untergrund dient hier als Wärmespeicher.

Beim Bau von Erdwärmesonden können z.B. die Bohrtätigkeit, die Verwendung von Spülzusätzen oder das Verbinden verschiedener Grundwasserstockwerke das Grundwasser schädigen. Im Betrieb kann die Temperaturveränderung des Untergrundes, sowie das Auslaufen von Betriebsmitteln die Grundwasserqualität gefährden und zugleich den Betrieb der Anlage beeinträchtigen.

Die Maßnahmen, die geeignet sind, dauernd oder in einem nicht nur unerheblichen Ausmaß schädliche Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Grundwassers herbeizuführen.“, stellen gemäß § 3 Wasserhaushaltsgesetz (WHG) eine „Benutzung“ des Gewässers dar. Sie bedürfen einer behördlichen Erlaubnis oder Bewilligung (§ 2 WHG).

Eine entsprechende Erlaubnis zur Errichtung und zum Betrieb einer Erdwärmegewinnungsanlage ist daher bei der zuständigen Wasserbehörde (s. Abschnitt „Ansprechpartner“) zu beantragen.

Erdwärme gilt nach § 3 Abs. 3, Satz 2 Nr. 2b Bundesberggesetz (BBergG) als „bergfreier Bodenschatz“, das Eigentum an einem Grundstück erstreckt sich somit nicht auf die Erdwärme. Für die Aufsuchung der Erdwärme bedarf es daher einer Erlaubnis nach § 7 BBergG und für die Gewinnung einer Bewilligung nach § 8 BBergG. Wenn die Erdwärme „in einem Grundstück aus Anlass oder im Zusammenhang mit dessen baulicher oder sonstiger städtebaulicher Nutzung gelöst oder freigesetzt wird“ (§ 4 Abs. 2 Nr. 1 BBergG), liegt jedoch keine Gewinnung im bergrechtlichen Sinne vor. Dies ist u. a. dann gegeben, wenn die Erdwärmenutzung auf einem Grundstück ohne Beeinflussung eines Nachbargrundstückes erfolgt.

Eine Bewilligung nach § 8 BBergG ist deshalb in der Regel nicht erforderlich, wenn die Erdwärme bis zu einer Heizleistung von 30 kW für Ein- oder Zweifamilienhäuser auf einem Grundstück gewonnen und genutzt wird und bei den dazu erforderlichen Bohrungen ein Mindestabstand von 5 Metern zur Grundstücksgrenze eingehalten wird.

Aufgrund des geringen Temperaturniveaus in den genutzten Schichten ist für den Einsatz in der Gebäudebeheizung eine Wärmepumpe unerlässlich. Über einen Kompressor wird in der Wärmepumpe ein Wärmeträger verdichtet, wobei die Temperatur steigt. Der hierbei notwendige Einsatz elektrischer Energie ist neben der Wärmepumpentechnik vor allem von der Ausgangstemperatur und der Vorlauftemperatur der Heizungsanlage abhängig. Bei modernen Niedertemperatursystemen liegt der Anteil elektrischer Energie an der Gesamtheizenergie bei 20 bis 25 Prozent. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 4 bis 5. Damit dieser Anteil über die gesamte Lebensdauer des Erdwärmesondensystems konstant bleibt, muss sicher gestellt werden, dass der Untergrund die benötigte Entzugsenergie bereit stellen kann.

Wärmeentzugsleistung in Bremen
Wärmeentzugsleistung in Bremen

Eine ausreichende Dimensionierung ist Voraussetzung für einen wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb der Anlage. Sie wird durch die Wärmeleitfähigkeit der genutzten Gesteine, den Wirkungsgrad der Wärmepumpe und den häuslichen Energiebedarf bestimmt. Informationen über den Aufbau des Untergrundes sind beim Geologischen Landesdienst erhältlich. Sollten vor Baubeginn keine Kenntnisse über den Untergrund vorhanden sein, ist die Auslegung an die Befunde während der Bohrarbeiten anzupassen.

Die entscheidende Größe ist hierbei nicht die absolute Temperatur, sondern die Fähigkeit der Gesteinsschichten die Energie zu transportieren. Dieser Wert ist die Wärmeleitfähigkeit. Bei einer unterdimensionierten Anlage wird zwar die gewünschte Heizenergie geliefert. Da der Untergrund jedoch beständig weiter abgekühlt wird, steigt aber der Anteil der elektrischen Energie. Zudem steigt durch periodische Frostphasen im Umfeld der Sonde das Störfallrisiko der Anlage.

Silvia Ortmann

Für Verfahrensfragen

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Geologische Untergrundinformationen: Geologischer Dienst für Bremen (GDfB)