Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Die Genehmigung oberflächennaher Erdwärmeprojekte gilt vor allem aufgrund des Bergrechts als aufwendig und bürokratisch.
■ Bei der Umsetzung von Erdwärmesonden gibt es weiterhin Unsicherheiten, was einige Materialien und deren wärmetechnische Eigenschaften angeht.
■ Die realen und die gemessenen Temperaturdaten in Erdwärmesonden liegen oft weit auseinander. Thermal-Response-Tests sollten daher frühestens 14 Tage nach Fertigstellung erfolgen.
■ Um das Temperaturniveau in kalten Nahwärmenetzen dauerhaft leistungsfähig zu halten, wird ein langfristiges Anlagenmonitoring empfohlen.
■ Insbesondere bei großen Wohnbebauungen sind Maßnahmen zur Regeneration des Erdreichs sinnvoll. Dafür eignen sich Solarthermie- oder PVT-Kollektoren.
■ Wärmenetze: Bei der Umsetzung von EWS in städtischen Gebieten fehlt eine quartiersbezogene Betrachtung von Wärmeeintrag und -entzug
Die gute Nachricht zuerst: Das Interesse der Besucher an der Fachveranstaltung GeoTherm ist ungebrochen. Besonders hohen Zuspruch fanden die Vorträge über Tiefengeothermie und hier insbesondere das Thema Tiefengeothermie bei gleichzeitiger Gewinnung von Lithium im Oberrheingraben.
Während die Halle für Tiefengeothermie von Ausstellern gut gebucht war, klafften in der Halle für oberflächennahe Geothermie große Lücken. Offiziell waren nur 153 Aussteller präsent gegenüber 200 zwei Jahre zuvor. Mit 3537 Besuchern blieb die Anzahl der Besucher gegenüber der letzten Veranstaltung (3600) jedoch stabil. Kaum vertreten in Offenburg waren die Hersteller von Wärmepumpen.
Dass die Entwicklung der oberflächennahen Geothermie den Akteuren nicht nur Freude bereitet, vermittelte auch die Zusammensetzung des fachspezifischen Kongressprogramms. So konnte sich der Autor des Eindrucks nicht erwehren, dass es mit der Qualitätssicherung am Bohrloch nur langsam vorangeht. Auch die starke Präsenz von Vorträgen über Modellierung von Erdwärmesonden(EWS)-Feldern, neuen Regelungsstrategien für den Betrieb großer EWS-Anlagen (wegen Überwärmung bzw. Unterkühlung des Erdreichs) sagt etwas über die aktuellen Herausforderungen mit dieser Technik aus.
Letztendlich signalisiert auch die Statistik des Bundesverbandes der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) über den Wärmepumpenabsatz im Jahr 2022 (bis Oktober), dass erdgekoppelte Wärmepumpensysteme mit nur 10,6 % Marktanteil gegenüber 86,1 % für Luft/Wasser-Wärmepumpensysteme in der Gunst der Verbraucher deutlich abfallen. Dies mag auch damit zusammenhängen, dass vermehrt preisattraktive R32-Luft/Wasser-Wärmepumpen in Split-Bauweise in den Markt drängen und damit weniger Motivation besteht, in ein von Bürokratie und Facharbeitermangel geprägtes teures Erdwärmesystem zu investieren.
Bergrecht wirkt abschreckend
Ein wesentlicher Grund für die eher zögerliche Akzeptanz oberflächennaher Geothermieanlagen ist mit Sicherheit das aufwendige und bürokratische Genehmigungsprocedere und hier insbesondere das Bergrecht, dessen Grundlage noch aus dem Mittelalter stammt.
Dr. Georg Buchholz von der Kanzlei GGSC, Gaßner, Groth, Siederer & Coll., eine Spezialkanzlei für die Gebiete Umwelt, Bauen, Planen, Abfall, Wasser und Energie mit Sitz in Berlin, schätzt oberflächennahe Erdwärmeprojekte wegen der bergrechtlichen Aspekte in der Genehmigung als aufwendig, ungewohnt und zeitraubend ein.
Verwirrend sei zudem die unterschiedliche Zuordnung der Erdwärmenutzung zum Bergrecht in den einzelnen Bundesländern. So werde der Abstand der Erdwärmesonden zur Grundstücksgrenze von Bundesland zu Bundesland ganz unterschiedlich interpretiert, was beispielsweise Quartierslösungen erschwere. In manchen Bundesländern werde die oberflächennahe Erdwärme sogar wie ein schürffähiger Bodenschatz behandelt, obwohl keine bergrechtliche Gewinnung im Sinne eines Bergbaubetriebes stattfindet. Buchholz fordert deshalb klare Ausnahmen vom Bergrecht für die oberflächennahe Geothermie bis zu einer Bohrtiefe von 400 m.
In der anschließenden Diskussion kam der Einwand, dass eine zu starke Vereinfachung des Genehmigungsprocederes womöglich den Bestandsschutz von Erdwärmesondenanlagen gefährden könnte. So zeige die Praxis, dass große, neue EWS-Anlagen kleine, bestehende Sondenfelder in der Peripherie thermisch beeinflussen, im Extremfall sogar Energie über Grundstücksgrenzen hinweg absaugen können. Dies gelte besonders für EWS-Anlagen, die ausschließlich zum Heizen bestimmt sind.
Qualitätssicherung weiter im Fokus der Forschung
Seit Jahren steht die Qualitätssicherung bei Erdwärmesonden im Mittelpunkt des GeoTherm-Kongresses. Die überbordende Anzahl an Forschungsprojekten zu diesem Thema kann auch als Indiz gewertet werden, dass die Entwicklung rund um die oberflächennahe Geothermie bei Weitem noch nicht abgeschlossen ist und Bohrungen und Betrieb von Erdwärmesonden immer noch mit einem erhöhten Risiko einhergehen.
Auch im aktuell laufenden Verbundvorhaben „QEWSplus“ geht es im Grunde genommen darum, vorhandene Unsicherheiten rund um die Ringraumverfüllung von Erdwärmesonden zu analysieren und neue Wege zu besseren Lösungen aufzuzeigen. So wird von den Projektpartnern die Verfüllqualität von einigen Materialien sowie deren Anmischgeschwindigkeit infrage gestellt (Bild A).
Bild: Margot Dertinger-Schmid
Ebenfalls bei der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmekapazität und dem thermischen Verhalten im Nahbereich von EWS gibt es offenbar noch so große Bandbreiten, dass in der Praxis mit signifikanten Wärmekapazitätsunterschieden gerechnet werden muss. Ziel des bis Ende 2023 laufenden Projekts ist die Etablierung einer Stoffdatenbank mit Angaben über spezifische und volumetrische Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähigkeiten gängiger Verfüllbaustoffe sowie von ausgewählten Gesteinen.
Vorsicht bei den VDI-Empfehlungen zur Ausgleichszeit
Die Effizienz einer Erdwärmesonden-Wärmepumpe ist zum großen Teil von den geothermischen Untergrundparametern, beispielsweise der „ungestörten Untergrundtemperatur“, abhängig, die im Rahmen des Thermal-Response-Tests erhoben werden.
Laut VDI-Richtlinie 4640 Blatt 5 handelt es sich bei der „ungestörten Untergrundtemperatur“ um den Temperaturmittelwert über die EWS-Länge unmittelbar bei Beginn des Thermal-Response-Tests, der meist wenige Tage nach der Ringraumverfüllung stattfindet. Dabei geht es um die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteins, den thermischen Bohrlochwiderstand und die Wärmekapazität des anstehenden Gesteins. Sie ist wichtig für die Absicherung der Ausführungsqualität der EWS, ihrer Leistung und damit auch der Effizienz der Wärmepumpe.
Nach den Erfahrungen von Dr. Sven Rumohr vom Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG), Wiesbaden, liegen die realen und die gemessenen Temperaturdaten in Erdwärmesonden oft weit auseinander. Ursache sei der Zeitpunkt der Messung, der meist drei bis vier Tage nach Einbringen der Ringraumverfüllung liegt. Diese frühzeitige Messung führe nach den Erfahrungen des HLNUG zu gemessenen Untergrundtemperaturen, die signifikant höher liegen können als die per Definition „ungestörte Untergrundtemperatur“ und damit zu Fehlannahmen hinsichtlich Leistung und Effizienz der EWS-Wärmepumpenanlage.
Rumohr und sein Team haben deshalb in den letzten fünf Jahren eigene Temperaturprofilmessungen an EWS durchgeführt und sind dabei zu folgenden Ergebnissen gekommen: Die Temperaturen in den EWS werden in der Frühphase der Fertigstellung überwiegend durch den Wärmeeintrag im Zuge der EWS-Errichtung beeinflusst. Im Detail erfolgt der Wärmeeintrag über:
Außerdem spielen eine Rolle:
Als Schlussfolgerung aus den Messreihen (Bild B) empfiehlt das HLNUG, die Temperaturmessung frühestens 14 Tage nach Fertigstellung der EWS durchzuführen. Die Empfehlungen der in VDI 4640 Blatt 5 angegebenen Ausgleichszeit sind, Zitat Rumohr, „ungenügend bis falsch. Diese Empfehlungen müssen überarbeitet werden.“
Bild: Sven Rumohr / HLNUG
Energieflüsse in Wohnquartieren gesamtheitlich überwachen
„Der größte Schwachpunkt geothermischer Nahwärmeanlagen ist das mangelnde Monitoring.“ Mit diesem Statement eröffnete Dr. David Kuntz, Geo Alto GmbH, Rottenburg am Neckar, seinen Vortrag über die projektspezifischen Besonderheiten kalter Nahwärmesysteme in Wohnquartieren. Seinen Erfahrungen zufolge gibt es ein wachsendes Interesse an solchen Systemen seit Beginn der Bundesförderung für effiziente Wärmenetze der Generation 4.0.
In der Regel liegen diese Netze auf einem Temperaturniveau von 0 bis 20 °C, was sowohl eine Beheizung als auch eine Gebäudekühlung mittels reversierbarer Wärmepumpen erlaubt (Bild C). Kuntz machte deutlich, welche komplexen Herausforderungen an den Planer hinsichtlich Design, Auslegung, Genehmigung und letztendlich auch an den Betrieb kalter Nahwärmenetze gestellt werden. So hält der Geologe ein simulationsgestütztes Verfahren im Hinblick auf thermische und hydraulische Aspekte für ratsam.
Bild: David Kuntz, GeoAlto
Allerdings erschwere die landesspezifische genehmigungsrechtliche Situation sowohl im Wasserrecht als auch im Bergrecht eine bundeseinheitliche Umsetzung solcher Anlagen. Da größere geothermische Anlagen durch die bekannten Unsicherheiten aus dem Ruder laufen können (Abkühlung des Erdreichs bei zu hoher Wärmeentnahme, überproportionale Erderwärmung bei hohem Wärmeeintrag durch Kälteanlagen), sieht Kuntz im langfristigen Anlagenmonitoring eine Art Verpflichtung für den Betreiber.
Nur so könne das Temperaturniveau im Verteilnetz dauerhaft leistungsfähig gehalten werden. Von wirtschaftlich fragwürdigen Überdimensionierungen rät Kuntz ab und favorisiert eher die Option eines bedarfsgeführten Ausbaus der geothermischen Primärquellen.
EWS-Regeneration wird immer wichtiger
Mit zunehmender Verbreitung von Erdwärmesonden bei gleichzeitiger Verdichtung der Bebauung stellt sich die Frage, wie sich ein hoher Wärmeentzug über einen Zeitraum von 50 Jahren auf die Temperatur im Erdreich und damit auf die Effizienz der Wärmepumpe auswirkt und welche Maßnahmen zur Regeneration des Erdreichs sinnvoll, wirtschaftlich und nachhaltig sind.
Diese Herausforderung stellt sich insbesondere bei großen Wohnbebauungen, in denen primär geheizt wird und keine Wärme aus gewerblichen Klimaanlagen für die Regeneration des Erdreichs zur Verfügung steht. Erfahrungen in der Schweiz deuten darauf hin, dass die Gefahr einer kaum wieder auflösbaren Eisblockbildung in EWS-Feldern real ist. Das zeigt sich auch darin, dass das Schweizerische Bundesamt für Energie das Thema Regeneration im Rahmen der Studie „SolSeas Store – Saisonale Wärmespeicherung in städtischen Quartieren mit Erdwärmesonden“ wissenschaftlich untersuchen ließ (www.bit.ly/sbz069).
Dr. Joachim Poppei von der CSD Ingenieure AG, Aarau, Schweiz, stellte die Ergebnisse des mehrjährig angelegten Forschungsprojekts vor:
Der Einsatz von PVT-Kollektoren (Bild D) zur Regeneration habe den Vorteil, dass der erzeugte Sonnenstrom in der Regel ausreiche, um Wärmepumpen, Umwälzpumpe und andere Nebenantriebe – ganzjährig bilanziert – mit Strom zu versorgen. Poppei rät davon ab, die Anzahl der EWS bzw. deren Länge aufgrund der Regenerationsoption zu kürzen, da dies zu einer Erhöhung des Winterstromverbrauchs um rund 10 % führe, so die Simulationsberechnungen. Für eine erste Abschätzung der Regenerationsmaßnahme mittels PVT-Kollektoren könne mit einem Bedarf an Dachfläche von 1,8 m2 pro MWh erforderlicher jährlicher Nutzwärme gerechnet werden.
Bild: PVT Solar, Perlen, Schweiz
Quartierskonzepte erfordern neue Ansätze
Für die Auslegung, Optimierung und den Betrieb einzelner Wärmepumpenanlagen mit Erdwärmesonden stehen umfangreiche Richtlinien und Erfahrungen sowie ein breites Angebot an Fachliteratur zur Verfügung. Allerdings lassen sich diese Erkenntnisse aus Einzellösungen nur bedingt auf Quartierslösungen in städtischen Gebieten übertragen. Was fehlt, ist die quartiersbezogene Betrachtung von Wärmeeintrag und -entzug über die Erdwärmesonden im Erdreich sowie die Berücksichtigung von Synergien durch die unterschiedliche Nutzung von Gebäuden im urbanen Raum.
Nach Angaben des Umweltbundesamts liegen die höchsten Energieeffizienzpotenziale bei der Versorgung von städtischen Gebieten und großen zusammenhängenden Gebäudekomplexen mit Wärmeenergie in Quartierslösungen, sodass diesem Bereich künftig eine Schlüsselrolle zukommt. Hier setzt das von dem Konsortium Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur, Leipzig, dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und der Geoenergiekonzept GmbH, Freiberg, initiierte Verbundprojekt „EasyQuart“ (www.ufz.de/easyquart) an.
Ziel des Projekts ist es, die planerischen Grundlagen für eine methodisch vertiefte Optimierung von Versorgungsnetzwerken zur Nutzung oberflächennaher geothermischer Ressourcen für Heiz- und Kühlzwecke in Stadtquartieren mit Mischbebauung zu schaffen. Dabei geht es um die Entwicklung eines standortbasierten Entscheidungshilfesystems mittels thermischer Modellierung. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Machbarkeit, der konzeptionellen Planung, der geothermischen Erkundung und der Entwurfs- und Genehmigungsplanung. Dadurch sollen wirtschaftlich nachteilige Über- und Unterdimensionierungen verhindert werden.
Weitere Infos auf www.sbz-online.de
Neugierig geworden? Mehr rund um das Thema Geothermie erfahren Sie in unserem Online-Dossier unter www.bit.ly/sbz_geo.
Bild: Margot Dertinger-Schmid
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