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Geothermie

Die Verwendung von Geothermie gewinnt in Deutschland zunehmend an Bedeutung. Geothermische Anlagen besitzen in der Regel eine sehr positive CO2-Bilanz und sind deshalb gesamtökologisch wünschenswert, sofern eine Beeinträchtigung des Grundwassers ausgeschlossen werden kann.
Als Geothermie wird die in Form von Wärme gespeicherte Energie im Untergrund bezeichnet. Diese Energie stammt aus Restwärme der Erdentstehung (Abkühlung der Erde), aus Wärme, die bei radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinneren freigesetzt wird. In geringen Tiefen (bis ca. 10 m) wird die Temperatur im Untergrund stark von  jahreszeitlichen Temperaturschwankungen beeinflusst. An diesen Schwankungsbereich schließt sich ein Bereich mit relativ konstantem Temperaturgradienten an. Der mittlere geothermische Temperaturgradient in Deutschland beträgt etwa 3-4 °C je 100 m.

Unterschiedliche Tiefen

Verfahren zur Nutzung von Geothermie werden hinsichtlich der Tiefe des genutzten geothermischen Systems in zwei Hauptklassen unterschieden. Die tiefe Geothermie reicht in große Tiefen und kann teilweise zur direkten Warmwassererzeugung oder zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Bei der oberflächennahen Geothermie kommt im allgemeinen aufgrund der geringeren Temperatur eine Wärmepumpe zum Einsatz. 

Gegenüberstellung der verschiedenen Verfahren

Verfahren zur Erdwärmenutzung
Abbildung 1: Verfahren zur Erdwärmenutzung (Quelle: nach dem Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme mit Erdwärmesonden, Umweltministerium Baden-Württemberg)

Weiterführende Informationen

  • Untergrundtemperaturen und Kartenmaterial, Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, Freiburg (LGRB)
  • Mehrere Schadensfälle im Landkreis Böblingen haben dazu geführt, für den Landkreis eine sogenannte Ampelkarte (1,218 MiB)zu entwickeln.
    In grünen Gebieten können Erdwärmesonden in der Regel zugelassen werden. In roten Gebieten sind Erdwärmebohrungen grundsätzlich nicht zulässig. Gelbe Gebiete müssen diefferenzeirt betrachtet werden.

Technische Mittel zur Wärmegewinnung

Für die Nutzbarmachung der Erdwärme ist eine technische Ausstattung in Form von Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren oder Grundwasserwärmepumpen erforderlich. Von der Lage und geologischen Beschaffenheit des Standorts hängt die Auswahl der unterschiedlichen Techniken zur Wärmegewinnung ab.

Wärmepumpen

Wärmepumpen

Bei der Nutzung oberflächennaher Geothermie wird über ein Wärmeträgermedium dem Untergrund Wärme entzogen, und diese über eine Wärmepumpe an das Heizsystem abgegeben. Die Wärmepumpe dient sozusagen dazu, die auf einem niedrigeren Temperaturniveau anfallende Erdwärme auf ein höheres, im Heizkreislauf benötigtes Temperaturniveau zu transferieren. Dabei kann bei einer optimalen Abstimmung aller Komponenten des Systems durch den Einsatz von 25% Primärenergie, die für den Betrieb der Wärmepumpe erforderlich ist, ein Äquivalent von 100% Heizleistung gewonnen werden.
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist im Prinzip identisch mit der eines Kühlschranks, mit dem Unterschied, dass der Kühlschrank dem Innenraum Wärme entzieht und diese an die Umgebung abgibt und die Wärmepumpe die Wärme der Umgebung entzieht und an den Heizkreislauf abgibt. Das Prinzip ist somit analog mit umgekehrter Zielsetzung.

Prinzip:

  1. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Energie auf und verdampft.
  2. Das gasförmige Kältemittel wird im Verdichter komprimiert. Dabei steigt neben dem Druck auch die Temperatur.
  3. Im Verflüssiger kondensiert das Kältemittel und gibt dabei Energie an den Heizkreislauf ab.
  4. Am Ende des Kreislaufprozesses wird das Kältemittel im Expansionsventil entspannt.

Abbildung 2: Funktionsweise einer Wärmepumpe (mit freundlicher Genehmigung des Bundesverbands Wärmepumpe e.V. bwp)

Erdwärmesonden

Erdwärmesonden

Erdwärmesonden werden in vertikale oder geneigte Bohrungen eingebracht. Die Sonde besteht dabei meist aus Doppel-U-Rohren aus Polyethylen, in denen ein Wärmeträgermedium zirkuliert, das dem Untergrund Wärme entzieht. Das Bohrloch, in den die Erdwärmesonde eingebaut wird, muss mit einem dichten, frostbeständigen Material über die gesamte Länge der Sonde verfüllt werden. Die Verfüllung stabilisiert die Sonde und bindet diese an den Untergrund an. Sie ist maßgeblich für die Effizienz der Sonde und daher sehr sorgfältig auszuführen. Wird die Verfüllung nicht richtig eingebracht, oder wird diese z.B. durch Frost-/Tauwechselwirkungen beschädigt, kann dies zu einem erheblichen Effizienzverlust bis hin zur Beschädigung der Sonde führen.

Abbildung 3: Schema Erdwärmesonden (mit freundlicher Genehmigung des Bundesverbands Wärmepumpe e.V. bwp)

Erdwärmesonden werden in Deutschland meist bis zu einer Tiefe von ca. 100 m realisiert. Da ab circa 20 m Tiefe ein nahezu konstanter Temperaturgradient vorliegt, arbeitet eine Erdwärmesonde auch in der kalten Jahreszeit sehr effektiv. Ein weiterer Vorteil gegenüber anderen Systemen ist der geringe Platzbedarf von Erdwärmesonden. Allerdings müssen bereits bei der Planung und beim Bau der Sonden mögliche geologische Risiken (z.B. Gips-Anhydrit-Umwandlung) und Aspekte des vorsorgenden Grundwasserschutzes berücksichtigt werden. Deshalb sollten bei der Planung einer Erdwärmenutzung frühzeitig die Rahmenbedingungen mit der zuständigen Behörde (im Landkreis Böblingen das Landratsamt Böblingen, Geschäftsbereich Wasserwirtschaft) abgeklärt werden.

Antragsunterlagen

Jedes Vorhaben zu Erdwärmenutzung mittels Erdwärmesonden ist im Vorfeld der Maßnahme rechtzeitig der unteren Wasserbehörde und dem Regierungspräsidium Freiburg, Abteilung 9, LGRB anzuzeigen. Die nach Wasserrecht und Bergrecht erforderlichen Anzeige und Genehmigungsverfahren sind im Leitfaden des Umweltministeriums umfassend dargestellt.

Antragsunterlagen für den Bau von Erdwärmesonden (203 KiB)

Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren

Im Gegensatz zu Erdwärmesonden werden Erdwärmekollektoren horizontal im Untergrund verlegt.  Erdwärmekollektoren bestehen aus parallel angeordneten Kunststoffrohren, die unterhalb der Frosteindringtiefe (ca. 1,5 m) eingebaut werden. Für die Installation von Erdwärmekollektoren benötigt man ungefähr die doppelte Fläche der zu beheizenden Wohnflache. Diese Fläche darf nicht versiegelt oder überbaut werden, da der Boden Wärme z.B. aus Regenwasser und Sonneneinstrahlung aufnehmen muss. Aufgrund der geringen Einbautiefe können Erdwärmekollektoren eine Alternative zu Erdwärmesonden darstellen, insbesondere in Bereichen, in denen Erdwärmesonden aus geologischen oder hydrogeologischen Gründen nicht realisiert werden können.

Abbildung 4: Schema Erdwärmekollektor (mit freundlicher Genehmigung des Bundesverbands Wärmepumpe e.V. bwp)

Antragsunterlagen

Erdwärmekollektoren ohne Kontakt zum Grundwasser und außerhalb von Wasserschutzgebieten können als flache Erdaufschlüsse anzeigefrei errichtet werden. Für unten stehende Fälle ist der Bau von Erdwärmekollektoren der unteren Wasserbehörde anzuzeigen:  

  • Liegt ein Kollektor voraussichtlich im Grundwasser, oder wird bei dessen Installation Grundwasser erschlossen
  • Lage des Kollektors in den Zonen III, IIIA und IIIB von Wasserschutzgebieten
  • Wird der Kollektor mit wassergefährdenden Stoffen betrieben

Antragsunterlagen für den Bau von Erdwärmekollektoren (137,9 KiB)

Grundwasserwärmepumpen

Grundwasserwärmepumpen

Grundwasserwärmepumpen werden seit Mitte der 1980er Jahre in Deutschland für Heiz- und Kühlzwecke genutzt. Hierfür wird Grundwasser aus einem Entnahmebrunnen gefördert, über einen Wärmetauscher geführt, und im Abstrom über einen Schluckbrunnen wieder in den Untergrund eingeleitet. Geeignet für Grundwasserwärmepumpen sind Porengrundwasserleiter mit ausreichender Ergiebigkeit und geringem Grundwasserflurabstand. Ein Nachteil dieser Wärmequelle ist allerdings der hohe Planungsaufwand und ein verhältnismäßig großer Anteil von Hilfsenergie für die Wasserförderung. Daher lohnt sich eine solche Lösung in der Regel nur für größere Objekte mit einem hohen Heiz- und Kühlbedarf. Bereits bei der Planung muss sichergestellt und nachgewiesen werden, dass eine negative Auswirkung auf das Schutzgut Grundwasser ausgeschlossen werden kann, und die Interessen von Nachbarn nicht mehr als vertretbar, beeinträchtigt werden.

Abbildung 5: Schema Grundwasserwärmepumpe (mit freundlicher Genehmigung des Bundesverbands Wärmepumpe e.V. bwp)

Antragsunterlagen

Jedes Vorhaben zu Erdwärmenutzung mittels Grundwasserwärmepumpe ist im Vorfeld der Maßnahme rechtzeitig der unteren Wasserbehörde und dem Regierungspräsidium Freiburg, Abteilung 9, LGRB anzuzeigen. Die nach Wasserrecht und Bergrecht erforderlichen Anzeige und Genehmigungsverfahren sind im Leitfaden des Umweltministeriums umfassend dargestellt.
 
Antragsunterlagen für den Bau von Grundwasserwärmepumpen (204,2 KiB)