Oberflächennahe Geothermie: Effizient heizen mit der Wärme aus dem Boden. Blog#257

Geothermie wird im Alltag oft mit tiefen Bohrungen und heißem Gestein verbunden. Im Gebäudebereich ist damit jedoch meist die oberflächennahe Geothermie gemeint: die Nutzung der über das Jahr relativ konstanten Temperaturen im Untergrund. Während die Außenluft im Winter stark abkühlt, bleibt das Erdreich in größerer Tiefe deutlich stabiler. Das ist für Wärmepumpen technisch vorteilhaft, weil sie dadurch mit einer gleichmäßigeren und meist günstigeren Wärmequelle arbeiten können.

Warum das Erdreich energetisch so interessant ist

Wer an Heizen denkt, denkt meist zuerst an Brennstoffe, Strom oder vielleicht an die Außenluft als Wärmequelle. Das Erdreich wird dagegen oft unterschätzt. Dabei besitzt es eine Eigenschaft, die aus thermodynamischer Sicht äußerst wertvoll ist: Es reagiert deutlich träger auf jahreszeitliche Temperaturschwankungen als die Luft.

Schon ab einer Tiefe von etwa 10 bis 15 Metern verliert die Witterung an der Oberfläche weitgehend ihren direkten Einfluss. In Deutschland liegt die Temperatur dort meist relativ konstant im Bereich von etwa 8 bis 12 °C. Das ist nicht warm im alltäglichen Sinn. Für eine Wärmepumpe ist dieses Temperaturniveau vorteilhaft. Entscheidend ist der sogenannte Temperaturhub, also die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der benötigten Vorlauftemperatur im Heizsystem. Je kleiner dieser Unterschied ist, desto weniger Arbeit muss die Wärmepumpe leisten und desto effizienter arbeitet sie. Im Vergleich zu Luft-Wärmepumpen, die im Winter oft mit sehr kalter Außenluft arbeiten müssen, sind die Bedingungen im Erdreich deutlich stabiler. Das senkt den Strombedarf und verbessert die Effizienz. Anders ausgedrückt: Zehn Grad im Boden können energetisch wertvoller sein als kalte Winterluft direkt vor dem Haus.

Wie die Wärme aus dem Boden geholt wird

Die am häufigsten genutzte Form der oberflächennahen Geothermie in Wohngebäuden sind Erdwärmesonden. Dabei werden Kunststoffrohre in senkrechte Bohrlöcher eingebracht, typischerweise bis in Tiefen von etwa 40 bis 150 Metern. In diesen Rohren zirkuliert eine Flüssigkeit, die dem Untergrund Wärme entzieht und sie zur Wärmepumpe im Gebäude transportiert.

Entscheidend ist dabei: Die Sonde erzeugt selbst keine Wärme. Sie ist ein Wärmetauscher. Sie erschließt lediglich die im Boden gespeicherte thermische Energie.

Wie ergiebig ein Standort ist, hängt stark von der lokalen Geologie ab. Feuchte Böden und grundwassernahe Schichten übertragen Wärme meist besser als trockene, wenig leitfähige Gesteinsschichten. Deshalb ist Geothermie immer auch eine standortabhängige Technik. Zwei Grundstücke, die nur wenige Kilometer voneinander entfernt liegen, können geologisch durchaus sehr unterschiedliche Voraussetzungen bieten.

Drei Kreisläufe, ein gemeinsames Ziel

Damit aus moderater Bodenwärme schließlich angenehme Raumtemperatur wird, greifen in einem geothermischen Heizsystem drei getrennte Kreisläufe ineinander.

• Im Erdkreislauf zirkuliert die sogenannte Sole, meist ein Wasser-Frostschutz-Gemisch. Sie nimmt Wärme aus dem Boden auf und transportiert sie zur Wärmepumpe.
• Im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe wird diese Energie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Ein Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur, wird verdichtet und gibt dabei Wärme auf höherem Niveau ab. Zunehmend werden natürliche Kältemittel wie Propan (R290) eingesetzt, die klimatisch vorteilhaft sind, aber höhere Anforderungen an die Sicherheit stellen.
• Im Heizkreislauf wird die so gewonnene Wärme an das Heizungswasser abgegeben. Dieses versorgt dann Fußbodenheizung, Wandheizung oder Heizkörper.

Warum Wärmepumpen keine elektrischen Direktheizungen sind

Ein häufiger Denkfehler besteht darin, Wärmepumpen mit elektrischen Heizgeräten gleichzusetzen. Physikalisch ist das falsch. Eine Wärmepumpe wandelt Strom nicht einfach eins zu eins in Wärme um, sondern nutzt elektrische Energie, um Umweltwärme verfügbar zu machen.

In einem gut ausgelegten System stammt deshalb nur ein Teil der abgegebenen Heizenergie aus dem Stromnetz. Der größere Teil kommt aus dem Boden. Rund drei Viertel der Heizenergie stammen typischerweise aus der Umwelt, nur etwa ein Viertel aus elektrischer Antriebsenergie. Die genauen Werte hängen natürlich von der Auslegung, dem Gebäude und dem Betriebszustand ab.

Ein nützlicher Kennwert ist hier die Jahresarbeitszahl. Sie beschreibt, wie viel Wärme eine Anlage im Verlauf eines Jahres im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Energie liefert. Eine Jahresarbeitszahl von 4 bedeutet vereinfacht: Aus 1 Kilowattstunde Strom werden im Jahresmittel etwa 4 Kilowattstunden nutzbare Wärme.

Die Vorlauftemperatur entscheidet über die Effizienz

Wie effizient ein geothermisches Heizsystem arbeitet, hängt nicht nur von der Wärmequelle im Boden ab, sondern auch vom Gebäude selbst. Entscheidend ist vor allem die erforderliche Vorlauftemperatur, also die Temperatur des Heizungswassers, das in das Heizsystem eingespeist wird.

Niedrige Vorlauftemperaturen von etwa 30 bis 40 °C sind ideal. Sie passen besonders gut zu Fußboden- oder Wandheizungen, die schon bei moderaten Temperaturen ausreichend Wärme abgeben. Unter solchen Bedingungen arbeitet die Wärmepumpe besonders effizient. Deutlich ungünstiger ist die Situation in älteren Gebäuden mit kleinen Heizkörpern, die oft Vorlauftemperaturen von 55 °C oder mehr benötigen. Dann muss die Wärmepumpe einen größeren Temperaturhub leisten, was den Stromverbrauch erhöht und den Effizienzvorteil verringert.

Hinzu kommt, dass Erdwärme mit höheren Anfangsinvestitionen verbunden ist. Bohrung, Planung und Genehmigungen verursachen zusätzlichen Aufwand. Außerdem ist die Technik stark vom Standort abhängig: Nicht jedes Grundstück ist geologisch geeignet, und wasserrechtliche Vorgaben können die Nutzung einschränken. Erdwärme ist deshalb keine Universallösung, sondern vor allem dort sinnvoll, wo Standort, Gebäude und Heizsystem gut zusammenpassen.

Fazit

• Geothermie nutzt die ganzjährig relativ stabile Temperatur des Untergrunds. Für Wärmepumpen ist das ein klarer Vorteil, weil der Temperaturhub geringer ist als bei kalter Außenluft und die Anlage dadurch effizienter arbeiten kann.
• Eine Universallösung ist Erdwärme dennoch nicht. Sie erfordert hohe Anfangsinvestitionen und ist nur dort sinnvoll, wo Standort, Gebäude und Heizsystem gut zusammenpassen.
• Wo diese Voraussetzungen erfüllt sind, ist Erdwärme eine effiziente und verlässliche Heizoption.

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Verantwortlicher: Klaus Rudolf; Kommentare und Fragen bitte an: rudolfklausblog@gmail.com

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