Die Idee einer Erdwärmepumpe*

Die Wärme des Erdinneren nutzen!

Gräbt man ein tiefes Loch, merkt man schnell, dass es mit zunehmender Tiefe immer wärmer wird.

Das tiefste Vordringen eines Menschen fand in den 1970er Jahren in Russland statt. Die sogenannte Kola-Bohrung wurde bei einer Tiefe von gerade mal etwas mehr als 12km abgebrochen. Der Grund: statt der erwarteten 100°C betrug die Temperatur bereits 180°C .

Natürlich ist noch niemand bis zum Erdkern vorgedrungen und daher können wir auch nur ahnen, wie heiss es dort unten wirklich ist. Neueste Schätzungen gehen von 6.000°C aus.

• Interessanterweise beträgt auch die Temperatur der Sonnenoberfläche in etwa 6.000°C. Diese gigantische Energie machen wir    uns mittlerweile zu nutze, indem wir daraus Strom (Photovoltaik) und Wärme (Solarthermie) produzieren.
  

Wir werden also von unten und oben gewärmt. Da ist der Gedanke, neben der Solarenergie auch die unvorstellbare Hitze des Erdinneren zu nutzen, nur nahe liegend. Und damit sind wir bei der Grundidee der Erdwärmepumpe.

Wie können wir die Erdwärme nutzbar machen?

In einer Tiefe von gerade mal 10 Metern unter der Erde, herrschen ganzjährig ungefähr 10°. In Deutschland dürfen geothermische Bohrungen bis zu einer Tiefe von 100 Metern durchgeführt werden und dort beträgt die Temperatur ca. 12°C.

Doch mit nur 12°C Wassertemperatur möchte man wohl kaum duschen und auch für wohlige Heizungswärme reicht das nicht. Bohrt man noch tiefer, steigt der Druck und die Erd-Temperatur steigt: in 1,5 Kilometern Tiefe sind es 54°C - das wäre doch eine passende Temperatur um die Heizung zu betreiben.

Bei der Erdwärme, auch Geothermie genannt, unterscheidet man zwischen

•  Oberflächennaher- und
  
•  Tiefengeothermie. Bei der tiefen Geothermie wird die Erdwärme aus Schichten, die tiefer als 400 Meter sind, genutzt.
  

Im Bereich der Eigenheimheizung spielt diese aber praktisch keine Rolle. Hier nutzt man die Erdwärme aus den oberen Erdschichten. Typischerweise werden für Erdwärmepumpen Bohrungen von rund 1 Meter - bei horizontal verlegten Erdkollektoren -bis zu 100 Meter- bei Erdwärmesonden - vorgenommen.

Mal abgesehen davon, dass man in Deutschland nicht grenzenlos tief bohren darf, machen noch tiefere Bohrungen auch wirtschaftlich irgendwann keinen Sinn mehr. Trotzdem schaffen es Erdwärmepumpen aus den vorhandenen 10 bis 12°C angenehme Heizung- und Wassertemperaturen von bis zu 50°C zu erzeugen.

Welche unterschiedlichen Erdwärmepumpen gibt es?

Kurz gesagt:

1. Systeme mit Erdkollektoren

2. Systeme mit Erdwärmesonden

Was sind Erdkollektoren?

Erdkollektoren werden immer unterhalb der örtlichen Frostgrenze in einer Tiefe von 1 bis 1,5 Meter in das Erdreich eingelassen.

Ähnlich einer Fußbodenheizung werden dabei Rohre aus Kunststoff

schraubenförmig verlegt.

Erdwärmekollektoren nutzen die Sonnenenergie, die den Erdboden aufheizt und die Wärme aus dem Regenwasser.

•  Die Fläche über den Kollektoren muss unbebaut und unversiegelt sein.
  
•  Auch auf Pflanzen mit tiefen Wurzeln sollte man hier verzichten, da die Wurzeln die Rohre beschädigen könnten.
  
•  Erdwärmekollektoren sind nur anzeige-, nicht aber genehmigungspflichtig.
  

Gut geeignet für die Installation einer solchen Erdkollektoren-Wärmepumpe sind Grundstücke mit viel direkter Sonneneinstrahlung.

Auch in regenreichen Gebieten können Hausbesitzer dieser Form der Wärmegewinnung gut einsetzen. Denn die Wärmeenergie, die mittels Erdkollektoren gesammelt wird, stammt vorrangig von Sonneneinstrahlung und Niederschlägen.

Je feuchter also der Boden, desto höher die Energiegewinnung durch Erdkollektoren!

Als Faustregel bei der Entscheidung für diese Form der Wärmepumpe gilt neben der Bodenbeschaffenheit:

• Die Fläche zum Verlegen der Erdkollektoren sollte das Eineinhalbfache bis Doppelte der zu beheizenden Gebäudefläche betragen.
• Beispiel: bei 150 Quadratmetern Wohnfläche sollten 225 bis 300 Quadratmeter Erdkollektoren verlegt werden.
• Dem großen Flächenbedarf steht ein geringer Aufwand bei der Installation der Anlage gegenüber. 

Was sind Erdwärmesonden?

Bei Systemen mit Erdwärmesonden werden zwei u-förmige Kunststoffrohre senkrecht in das Erdreich eingelassen. Der Durchmesser des benötigten Bohrlochs beträgt dabei meist nicht mehr als 15 Zentimeter. Die benötigte Fläche ist demnach sehr klein.

• Die Tiefe des Bohrlochs hängt vom Energiebedarf ab.
• Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus sind 100 Meter als Richtwert anzunehmen.
• Experten gehen von 50 Watt Heizleistung pro Bohr-Meter aus.

Vorteile der Erdwärmesonde

Wie bereits erwähnt ist die Temperatur schon ab einer Tiefe von 10 Metern das ganze Jahr über konstant.

• Das macht Wärmepumpen mit einer Erdsonde auch im Winter sehr effektiv!
• Außerdem ist der Einsatz zur Kühlung bzw. Klimatisierung im Sommer sinnvoll.
• Eine Absenkung der Raumluft um bis zu 5°C ist problemlos möglich.

Nachteile der Erdwärmesonde

• Man muss fairerweise sagen, dass Erdwärmesonden aufgrund der Tiefbohrung vergleichsweise teuer sind.
• Außerdem sind Erdwärmesonden genehmigungspflichtig
• In Wasserschutzgebieten sind sie sogar unzulässig

Was sind Sole-Wasser-Wärmepumpen?

Manchmal hört man den Begriff "Sole-Wasser-Wärmepumpe".

Dieses Wort wird oft als Synonym für Erdwärmepumpen verwendet. Denn das Kältemittel ist meist eine Sole, die mit Wasser vermischt wird. Allerdings kann mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe manchmal auch eine Grundwasserwärmepumpe gemeint sein. Entscheidend ist letztlich, dass die Wärmepumpe mit einem Kältemittel-Kreislauf arbeitet.

Wie funktionieren Erdwärmepumpen?

Es gibt neben Erdwärmepumpen noch andere Arten von Wärmepumpen, nämlich Grundwasser- und Luftwärmepumpen.

Erdwärmepumpen arbeiten mit einem Kältemittel und gehört somit zu den Kompressionswärmepumpen. Das Kühlmittel bleibt während des ganzen Prozesses innerhalb der Kreislaufes und kommt niemals direkt mit dem Wasser im Warmwasserspeicher in Berührung, sondern es findet nur eine Wärmeübertragung statt.

1. Das Kältemittel innerhalb der Erdwärmepumpe wird in Rohre geleitet, welche in der Erde verlegt wurden. Das Kältemittel ist so konzipiert, dass die geringe aber gleichbleibende Erdwärme  das Kältemittel zum Verdampfen bringt. Es ist also nun nicht mehr flüssig, sondern ein Gas. Bei Erdwärmepumpen kommt in der Regel Sole, ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel, zum Einsatz. Daher kommt auch -wie oben bereits erwähnt- der häufig verwendete Name Sole-Wasser-Wärmepumpe für Erdwärmepumpen.
2. Das nun leicht erwärmte Gas wird in eine Pumpe geleitet. Dort wird es verdichtet, dass bedeute, dass es unter Druck zusammengepresst wird. Vielleicht erinnern Sie sich noch an den Physik-Unterricht aus der Schule. Dort wurde uns beigebracht, dass solch ein Druck, Wärme erzeugt. Mit anderen Worten: das Gas wird noch weiter erwärmt. Dieser Schritt gibt der Wärmepumpe auch ihren Namen.
3. Das Gasförmige Kältemittel hat nun eine Temperatur von ca. 50°C, was ausreicht um damit das Heizsystem Ihres Hauses zu bedienen und für Warmwasser zu sorgen. Die jetzt erreichte Temperatur nennt man Vorlauftemperatur der Heizung. Bei diesem Vorgang sinkt die Temperatur des Gases natürlich wieder und beginnt sich wieder zu verflüssigen. Dieser Schritt findet im sogenannten Kondensator statt, denn kondensieren bezeichnet den Übergang eines Gases in eine Flüssigkeit.
4. Hat das Kältemittel den Kondensator passiert, ist es wieder im flüssigen Zustand. Im letzten Schritt muss es noch auf das Druckniveau des Ausgangszustands gebracht werden. Dazu werden Expansionsventile verwendet. Das kalte, unverrichtete Kältemittel strömt jetzt wieder ins Erdreich und der Prozess beginnt von Neuem.

Erdwärmepumpe: Preise, Kosten

und Wirtschaftlichkeit

Preise von Erdwärmepumpen:

Natürlich kann man bei der Angabe von Preisen nur eine Orientierung geben, denn die Preisgestaltung hängt von der Größe, der Technik und vielen weiteren Faktoren ab.

Wenn man allerdings von einem typischen Ein- bis Zweifamilienhaus ausgeht, konnten wir den Angaben der Hersteller Erdwärmepumpen-Preise

• von ca. 5.200€ - 12.000€ entnehmen -
•  durschnittlich rund 10.000€.
  

Die Effizienz einer Erdwärmepumpe kann man der Leistungszahl entnehmen. Sie gibt an, wie viel Nutzwärme die jeweilige Wärmepumpe unter genormten - und somit vergleichbaren - Bedingungen erzeugt, und setzt diese in Relation zum eingesetzten Strombedarf.

Kosten für die Bohrung:

Aber der reine Anschaffungspreis für eine Erdwärmepumpe ist nur die halbe Miete. Denn die Bohrungen und die Verlegung der Rohre kosten ungefähr noch einmal so viel Geld.

Die Höhe der Bohrkosten wiederum hängt auch von einigen Umständen ab:

• Erdbeschaffenheit und die daraus resultierende Wärmeleistung,
• sowie die Bohrtiefe, welche sich aus dem Heizbedarf errechnet.
  

Bei der tieferen Variante, den Erdsonden, kann man mit Kosten von durchschnittlich 50€ pro Bohrmeter planen. Je nach Bodenbeschaffenheit kann die Bohrung aber auch deutlich günstiger oder teurer sein.

• Eine Bohrung von 75 Metern Tiefe würde so also Kosten von 3.750€ ergeben.

Die Kosten für den Aushub für die großflächigen Erdkolllektoren sind meist nur halb so groß. Da man hier nicht in die Tiefe bohrt, sondern eine ganze Fläche auskoffern muss, wird der Preis für die Arbeiten eher mit der späteren Heizleistung in Relation gesetzt.

• Bei einem Aushub kann man mit ca. 300€ pro Kilowatt Heizleistung rechnen.
• Bei einer 7 kW-Wärmepumpe würde also zusätzliche Kosten von 2.100€ entstehen.
  

Aber unabhängig davon ob Sie sich für Erdkollektoren oder Erdsonden entscheiden: hinzu kommen auch noch Kosten für die Kosten für die dafür benötigten Kunststoffrohre.

Vergessen sollte man nicht, dass Wärmepumpen Förderungen erhalten. Diese reduzieren die Anschaffungskosten wieder.

Mit welchem Gesamt-Preis muss man also für Erdwärmepumpen rechnen?

Erdwärmepumpe:                                                                              8.000€ - 17.000€

A) Erdsonden: Bohrung und Material:                                               6.500€ -  20.000€

B) Erdkollektoren: Aushubarbeiten und Material:                              4.000€ -   8.000€

Bei der Installation einer Erdwärmepumpe mit Erdsonden für ein typisches Einfamilienhaus können Sie realistischerweise mit Preisen von durchschnittlich 17.000€ bis 19.000€ rechnen. Bei einer Erdwärmepumpe mit Erdkollektoren steht ein Gesamt-Preis von durchschnittlich 15.000€ - 18.000€ an.

Kosten für den Betrieb der Erdwärmepumpe

Erdwärmepumpen müssen in geringem Umfang gewartet werden. Es wird überprüft:

• ob der Kältemittel-Kreislauf dicht ist,
• ob die mechanischen Komponenten fehlerfrei arbeiten,
• ob die elektrischen Teile der Wärmepumpe einwandfrei arbeiten.
  

Die Kosten für solch eine Erd-Wärmepumpe erfragen Sie bitte vorab bei Ihrem Wartungsbetrieb.

Stromkosten:

Bei den laufenden Kosten fallen die Stromkosten stärker ins Gewicht. Um die kostenlos zur Verfügung stehende Erdwärme auf die benötigte Temperatur zu pumpen, benötigt die Wärmepumpe Strom... und davon nicht gerade wenig. Doch die gute Nachricht lautet:

Erdwärmepumpen benötigen von allen Wärmepumpen-Arten am wenigsten Strom.

Experten geben jährliche Betriebskosten für Erdwärmepumpen von 800 bis 1.500 € an - diese Schwankungen sind von vielen Gegebenheiten abhängig. Unter anderem von:

• dem Wirkungsgrad der Wärmepumpe
• der Dämmung des Hauses
• der Art der Heizkörper (Fußbodenheizungen sind sparsamer als Radiatoren, also herkömmliche Wandheizkörper, Gebläsekonvektoren)
• dem Strompreis
  

Sind Erdwärmepumpen effizient?

Erdwärmepumpen: Leistungs- und Jahresarbeitszahl im Vergleich

4,5

Durchschnittliche Leistungszahl (COP) von Erdwärmepumpen

3,9

Durchschnittliche Jahresarbeitszahl von Erdwärmepumpen

Um die Effizienz von Wärmepumpen zu vergleichen gibt es die sogenannte Leistungszahl, welche auch Coefficent of Performance, genannt wird.

Die Hersteller selbst testen ihre Produkte unter Laborbedinungen.

• Die Erdwärmepumpen der vergangenen Jahre wiesen eine durchschnittliche Leistungszahl von 4,5 auf. Dieser Wert wird in der Realität- also bei Ihnen zuhause- meist nicht erreicht.
• Die tatsächlich verbauten Erdwärmepumpen wiesen Werte von ca. 3,9 auf.
  

Das hat nichts mit Betrug zu tun. Man kann dies mit dem Kraftstoff-Verbrauch von Autos vergleichen. Unter Testbedinungen verbraucht ein Auto lt. Hersteller 6,0 Liter pro 100km. Bei Ihrer Fahrweise kommen Sie dann auf einen Verbrauch von 6,4 Litern. Das ist nur logisch, denn Sie haben keine genormten Fahrgewohnheiten.

So ist Ihr Haus auch nicht genormt und die tatsächliche Jahresarbeitszahl Ihrer Erd-Wärmepumpe weicht von der angegebenen Leistungszahl ab. Nichtsdestotrotz ist auch 3,9 noch ein guter Wert: Er bedeutet, dass 1kW Strom 3,9 kW Heizenergie erzeugen kann. Dies ist effizienter als eine herkömmliche Gasheizung. Insgesamt sind Heizkosten-Einsparungen von bis zu 50% drin.

Die richtige Größe einer Erdwärmepumpe

Im Grunde müssen bei der Dimensionierung einer Erdwärmepumpe drei wichtige Komponenten aufeinander abgestimmt werden:

Der Wärmebedarf des Hauses, die Wärmepumpe und die Erdsonden bzw. Erdkollektoren.

Damit die Wärmepumpe wirtschaftlich läuft, sollte Ihre Leistung und Größe in etwa dem Wärmebedarf des Gebäudes entsprechen. Ist sie zu klein dimensioniert, müssen zusätzliche Heiz-Arten aushelfen... das ist nicht im Sinne des Erfinders. Ist sie zu groß dimensioniert, sinken der Auslastungs- und der Wirkungsgrad.

Des weiteren sollte darauf geachtet werden, dass die Erdsonden nicht nicht zu kurz oder zu lang in die Erde gebohrt werden. Die Erdkollektoren müssen auf einer passend großen Fläche verlegt werden. Sind die Sonden oder Kollektoren zu kleine dimensioniert, droht ein Einfrieren oder auch eine Undichtigkeit.

*Texte mit freundlicher Genehmigung von https://ihre-waermepumpe.de/ zur Verfügung gestellt.