Wärmepumpen – Einsatz und Grenzen

16. Nov. 2020 von Olof E. Matthaei

Vereiste WärmequellenanlageWärmepumpen haben einen immer höheren Anteil bei den neu installierten Wärmeerzeugern wie auch beim Ersatz alter Kessel auf Öl- oder Gas-Basis. Sie sind ein wichtiger Baustein in der Kopplung der Sektoren Strom und Hauswärme durch regenerative elektrische Energieerzeugung und effiziente Umwandlung in Wärmeenergie. In zwei Fachbeiträgen finden Sie grundsätzliche Information zu Luftwärmepumpen und Erdwärmepumpen. In diesem Beitrag soll es um die Einsatzgrenzen beider Technologien gehen.

Steigender Marktanteil auf niedrigem Niveau

Laut Bundesverband Wärmepumpe gibt es mittlerweile eine Million Wärmepumpen in Deutschland. Laut Verbandsangaben wurden in 2019 86.000 Wärmepumpen verbaut, davon 20.000 Erdwärmepumpen und 66.000 Luftwärmepumpen. Bei den Erdwärmepumpen ist eine untergeordnete Zahl von 2.500 Stück an Grundwasser- und sonstigen Wärmepumpen mitgezählt. Die Luft-Wärmepumpen sind jeweils hälftig Monoblock- und Splitanlagen.

Dabei haben, nach Auskunft des BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V., die Elektrowärmepumpen mit 2,2% der Heizanlagen in den 40,6 Mio. Wohnungen (noch) einen kleineren Anteil als die Strom-Speicherheizungen. Wärmepumpen sind also noch längst nicht flächendeckend angekommen. Das kann ich aus meiner Erfahrung als Energieberater bestätigen. Nur selten habe ich Kunden, die mit Wärmepumpe heizen. Und auch in der Sanierung bleiben sie hinter meinen Hoffnungen zurück.

Verschiedene Wärmepumpen-Welten im Westen und der Mitte

Dabei gibt es deutliche regionale Unterschiede. An meinen beiden Standorten Wuppertal im Bergischen Land und Goslar am Harz unterscheidet sich die Welt der Wärmepumpen wie Tag und Nacht. Während in Wuppertal und Umgebung Erd-Wärmepumpen längst eine ernsthafte Option sind, die durchaus von vielen Bau- und Sanierungsherren ins Spiel gebracht wird, haben weder die Hausbesitzer in der Goslarer Region daran gesteigertes Interesse, noch gibt es überhaupt eine relevante Anzahl an Anlagen.

Woran liegt das? Ein Grund steckt im Boden. Es gibt Untergründe die mehr und solche die weniger geeignet sind. Die meisten Bundesländer stellen in mehr oder weniger geeigneter Form Information über die Geologie in ihrem Gebiet zur Verfügung. In Nordrhein-Westfalen ist dies beim Geologischen Dienst NRW angesiedelt, in Niedersachsen beim Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie LBEG. Die Information, die jeweils bereits gestellt wird ist Fachinformation, die ein Verständnis von Geologie erfodert. Sie richtet sich daher primär an Planer für Grundbau, an Bohrfirmen usw.

Es gibt jedoch bei beiden Diensten auch Basisinformation zum Checken eines Standorts auf grundsätzliche Eignung. Dabei fallen dann schnell Zonen auf, in denen Trinkwasserschutzgebiete oder Heilwasserschutzgebiete liegen. Hier wird im Regelfall von den unteren Wasserbehörden keine Erlaubnis zum Bohren erteilt. Der Grund ist, dass in den Erdwärmesonden kein reines Wasser eingesetzt wird, sondern mit Glykol und anderen Zusatzstoffen versehenes.

Grundwasserstockwerksbau und Karst

Ein anderes typisches Hindernis ist ein „Grundwasserstockwerksbau“. Das bedeutet, dass Grundwasser führende Schichten in verschiedenen Tiefen verlaufen, die üblicherweise nicht miteinander verbunden werden dürfen. Sie sind von undurchlässigem Gebirge voneinander getrennt. Bohrte man nun hindurch, dann verbände das Bohrloch beide Schichten miteinander und Grundwasser könnte, je nach Druckverhältnissen aus einem Stockwerk in ein anderes strömen. Wenn die chemische Zusammensetzung der Wässer unterschiedlich ist, kann es dabei zu unerwünschten, unguten Reaktionen kommen. In der Folge käme dann vielleicht bei einem weiter entfernten Trinkwasserbrunnen schlechtes Wasser an.

verkarsteter KalkfelsVerkarstung stellt ein ganz anderes Problem dar. Auf dem Foto links ist ein Aufschluss aus einem Kalksteinbruch in Wülfrath zu sehen, der das illustriert. Der Fels ist klüftig, was vom nördlichen Wuppertal bis nach Velbert häufig vorkommt. Bohrte man nun in einen solchen Berg, dann merkte man nur, dass es manchmal zu leicht geht. Die Bohrung wird aber abgeteuft, das Gestänge herausgezogen und die Sonde eingebracht. Schon hier kann es zu Problemen kommen. Eine schräg zur Bohrung verlaufende Spalte kann die Sondenspitze ablenken und festhalten.

Aber selbst wenn die Sonden bis zum Ende des Bohrlochs eingeführt werden konnte, kann beim anschließenden Verpressen so viel Material in den Klüften verschwinden, dass das Bohrloch nicht verfüllt werden kann. Außer dem Materialverlust bedeutete das den Verlust der ganzen Bohrung und man müsste sich anschließend neue Gedanken darüber machen, wie man das Haus beheizen wird.

Gips kann ganze Dörfer vernichten

Ein typisches Problem der Region im nördlichen Vorharz ist Sulfatgestein.
Geologischer ProfilschnittWie der geologische Profilschnitt rechts der Innerste zeigt, stehen einige Schichten fast senkrecht. Man weiß am Standort daher nie genau, was man in welcher Tiefe antreffen wird. Gips (Calciumsulfat) an sich ist kein größeres Problem, wenn damit richtig umgegangen wird. Wie beim Grundwasserstockwerksbau ist die Abdichtung die Aufgabe. Ist diese aber nicht ausreichend, dann kann Wasser in die Gipsschicht eindringen, wird dort aufgenommen und führt dazu, dass der Gips aufquillt. Kommt es ganz schlimm, dann wird der ganze Untergrund hochgewölbt und Gebäude auf der Oberfläche bekommen Risse.

Das Gegenteil kann auch im Harzraum passieren. Noch häufiger im Ruhrgebiet. Durch den früheren Bergbau gibt es viele Hohlräume die nicht kartiert sind. Immer wieder ist es in den vergangenen Jahrhunderten deswegen zu Erdfällen gekommen. Frühere Gänge im Berg sind eingebrochen, der Bruch setzt sich bis zur Erdoberfläche durch und Straßen oder Häuser brechen explosionsartig zusammen. Im Zusammenhang mit Erdwärmebohrungen ist das Thema dabei eher wie bei Karstgestein, dass Hohlräume im Berg sind, die das Verfüllen des Bohrlochs verunmöglichen.

Solider Berg ist der Regelfall

Nach all diesen Schauergeschichten aus dem für uns unsichtbaren Erdinneren, soll aber gesagt sein, dass unterhalb der Erdoberfläche, sich fast überall solides Gestein befindet, in dem Erdwärmesonden gut untergebracht werden können. Der ganze Wuppertaler Süden z.B. hat ein Ton-/Schluffgestein, manchmal schiefrig. Hier wird mit wenig Kraft gebohrt, das Bohrloch steht solide, Stützverrohrung ist nicht erforderlich. Die Sonde wird eingeführt, das Bohrloch von unten verfüllt und eine gute Wärmequelle ist damit erschlossen.

Je nach dem vorliegenden Gestein können Entzugsleistungen von 20-80 W/m gewonnen werden. Aus einer hundert Meter langen Sonde lassen sich so mit einer Wärmepumpe 2,5 – 10 kW Heizleistung erzeugen. Etwa ein Viertel bis ein Fünftel der von der Wärme abgegebenen Leistung muss als elektrische Antriebsenergie in das System hinein gesteckt werden, der Rest ist Erdwärme.

Kühlung per Erdwärmesonde

Aber nicht nur zum Heizen dienen Erdwärmesonden, sondern auch zum Kühlen. Ein Thema das uns zunehmend beschäftigen wird, weil die Klimakatastrophe in vollem Gange ist. Zukünftig werden wir wohl fast mehr kühlen als heizen müssen. Im Winter nimmt die Sonde Wärme aus dem Erdreich auf, dabei kühlt sich die Umgebung der Sonde erheblich ab. Wärme fließt (langsam) aus der weiteren Umgebung dorthin. Wird im Sommer Überschusswärme aus dem Haus in das Erdreich eingebracht, dann heit sich die Sondenumgebung schnell wieder auf und es steht im Winter mehr Wärme zum Heizen zur Verfügung. Dadurch steigt die Arbeitszahl der Wärmepumpe. Das Erdreich um die Erdwärmesonde ist dann keine Energiequelle mehr, sondern eher als Energiespeicher zu verstehen.

Abbildungsnachweise:
Vereiste Leitungen an einer Erdwärmesonde, Foto: Archivbild IB Matthaei
Karstiger Kalkfelsen, Foto: O. Matthaei 2020
Profilschnitt, Grafik LBEG 2009, Link zum Dokument

Weitere Beiträge zum Thema Wärmepumpe und Erdwärme:
Referenz: Erdwärmepumpe für geringen Wärmebedarf
Fachbeitrag: Erdwärme anzapfen
Artikel vom 04.03.2020: Mit Wärmepumpen heizen – Ergebnisse des Wuppertaler Wettbewerbs

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