Heizen mit Erdwärme - Geothermie als umweltfreundliche Alternative?

Geothermische Energie ist im Erdreich grundsätzlich kontinuierlich verfügbar. Als Erdwärme wird die unterhalb der Erdoberfläche gespeicherte Wärmeenergie bezeichnet. Sie lässt sich unabhängig von Tageszeit und Jahreszeit nutzen. Ein wesentlicher Vorteil des Erdreichs als Wärmequelle ist seine vergleichsweise konstante Temperatur, die insbesondere im Winter eine effiziente Wärmepumpennutzung ermöglicht.

Eine Erdwärmepumpe benötigt im laufenden Betrieb Strom für den Antrieb. Im Vergleich zu konventionellen Heizungen ist der Wartungsaufwand in der Regel geringer, allerdings ist eine Wärmepumpe nicht wartungsfrei. Regelmäßige Wartung und die Kontrolle der Verbrauchsdaten tragen dazu bei, einen zuverlässigen und effizienten Betrieb sicherzustellen.

Die Betriebskosten einer Erdwärmepumpe hängen insbesondere vom Wärmebedarf des Gebäudes, der Effizienz der Anlage und dem Strompreis ab. Für eine gute Energiebilanz sind eine sorgfältige Planung, eine passende Dimensionierung und möglichst niedrige Vorlauftemperaturen wichtig. Ein guter Wärmeschutz kann die Effizienz zusätzlich verbessern. Auch in Bestandsgebäuden können Wärmepumpen effizient betrieben werden, sofern die technischen Voraussetzungen stimmen.

Die Umweltbilanz einer Wärmepumpe wiederum geht sowohl mit ihrer Effizienz als auch der Herkunft des eingesetzten Stroms einher. Wird sie mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben und erreicht eine hohe Jahresarbeitszahl, kann sie besonders klimafreundlich arbeiten.

Gemessen wird die Energieeffizienz einer Wärmepumpe unter anderem anhand der sogenannten Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie beschreibt das Verhältnis der innerhalb eines Jahres abgegebenen Wärmemenge zur dafür eingesetzten elektrischen Energie. Eine JAZ von 4 bedeutet beispielsweise, dass aus 1 Kilowattstunde Strom insgesamt 4 Kilowattstunden Heizwärme bereitgestellt werden. Davon stammen rechnerisch 3 Kilowattstunden aus der Umwelt und 1 Kilowattstunde aus elektrischer Energie.

Eine JAZ von 4,0 gilt als guter Zielwert, ist aber keine zwingende Voraussetzung für jede Erdwärmepumpe. Die tatsächlich erreichbare JAZ hängt unter anderem von der Wärmequelle, der Vorlauftemperatur, dem Gebäude, der Dimensionierung und der Betriebsweise der Anlage ab. Feldtests zeigen für Erdwärmepumpen je nach Gebäude unterschiedliche Jahresarbeitszahlen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Erdwärme zum Heizen und zur Warmwasserbereitung zu nutzen. Zu den wichtigsten Systemen gehören horizontale Erdwärmekollektoren und vertikal verlaufende Erdwärmesonden.

Bei Erdwärmekollektoren werden Kunststoffrohre horizontal in etwa 1,2 bis 1,5 Metern Tiefe im Erdreich verlegt. Dabei benötigen die Kollektoren ausreichend Fläche, weshalb dieses System vor allem für Grundstücke mit genügend unversiegelter Fläche geeignet ist. Die genaue Auslegung und der Abstand der Rohrleitungen werden so gewählt, dass die Wärmequelle langfristig ausreichend Wärme liefern kann.

Steht nicht genügend Grundstücksfläche zur Verfügung, können Erdwärmesonden eine platzsparende Alternative sein. Sie werden über Bohrungen vertikal in den Untergrund eingebracht und reichen bei typischen Anlagen bis etwa 100 Meter tief. Wie tief gebohrt werden kann und wie viele Sonden erforderlich sind, hängt unter anderem vom Wärmebedarf des Gebäudes, den geologischen Verhältnissen und der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds ab. Je nach Bundesland und Standort können für Erdwärmesonden Anzeige-, Genehmigungs- oder weitere behördliche Verfahren erforderlich sein. Bohrungen von mehr als 100 Metern können zusätzliche Genehmigungen erfordern.

Auch bei hartem Untergrund ist eine Erdwärmesonde nicht grundsätzlich ausgeschlossen. Ob eine Bohrung technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt jedoch von den konkreten geologischen Bedingungen und den örtlichen Vorgaben ab.

Sowohl bei Erdwärmekollektoren als auch bei Erdwärmesonden zirkuliert in der Regel eine Sole – ein Wasser-Frostschutz-Gemisch – durch das Rohrsystem. Die Sole nimmt Wärme aus dem Erdreich auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Dort wird die Wärme mithilfe eines Kältemittelkreislaufs auf ein für die Heizung nutzbares Temperaturniveau angehoben.

Die erwärmte Energie wird anschließend an das Heizsystem des Gebäudes abgegeben. Ein Pufferspeicher kann dabei eingesetzt werden, ist bei einer Wärmepumpenanlage jedoch nicht grundsätzlich erforderlich. Bei geeigneter Auslegung kann beispielsweise das Heizungswasservolumen einer Fußboden- oder Wandheizung zur Wärmespeicherung beitragen.

Fußboden- und Wandheizungen eignen sich besonders gut für den Betrieb mit Wärmepumpen, weil sie mit vergleichsweise niedrigen Vorlauftemperaturen auskommen. Deshalb werden sie als Niedertemperatur-Flächenheizungen bezeichnet.

Ein starkes Team ist die Kombination einer Photovoltaik-Anlage (PV) auf dem Dach und/oder der Fassade mit einer Wärmepumpenheizung. Die PV-Module auf dem Dach erzeugen aus Sonnenenergie Strom, der sich mit hilfe eines Wechselrichters für den Betrieb der Wärmepumpe nutzen lässt. Da eine PV-Anlage im Winter - aufgrund vorwiegend indirekter Sonneneinstrahlung durch bewölkten Himmel und kürzerer Sonnenscheindauer - weniger Leistung erbringt und der Strom zum Betrieb der Wärmepumpe auch während der Dunkelheit benötigt wird, ist ein Batteriespeicher sinnvoll.

Die Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe mit Geothermie erfüllt sämtliche Ansprüche an ein nachhaltiges Heizsystem. Der Vorteil einer PV-Anlage mit Stromspeicher ist es, dass sich der erzeugte Strom zum Betrieb von Haushaltsgeräten nutzen lässt. Wie hoch die Einsparungen sind, hängt von der Größe der PV-Anlage, der Leistungsfähigkeit der Module und ihrer Ausrichtung ab.

Die Kosten für eine Erdwärmeheizung hängen wesentlich davon ab, wie die Wärmequelle erschlossen wird. Grundsätzlich stehen dafür unter anderem Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren zur Verfügung. Erdwärmesonden benötigen weniger Grundstücksfläche, sind in der Anschaffung und Installation aber in der Regel teurer. Erdkollektoren können günstiger sein, benötigen dafür eine entsprechend große unbebaute Fläche.

Für eine Erdwärmepumpe inklusive Installation sollten Sie derzeit grob mit etwa 20.000 bis 30.000 Euro rechnen. Hinzu kommen die Kosten für die Erschließung der Wärmequelle. Bei Erdsonden liegen diese nach Angaben der Verbraucherzentrale grob bei etwa 55 bis 95 Euro je Meter Sondenlänge. Bei Erdkollektoren können einschließlich der erforderlichen Erdarbeiten etwa 10 bis 20 Euro je Quadratmeter anfallen.

Für eine komplette Erdwärmepumpenanlage in einem Einfamilienhaus kann damit – abhängig von Gebäude, Heizleistung, Wärmequelle und Installationsaufwand – eine Größenordnung von etwa 35.000 bis 50.000 Euro vor Förderung angesetzt werden. In einem Modellbeispiel von co2online werden für eine Erdwärmepumpe in einem Einfamilienhaus mit 130 m² Wohnfläche Gesamtkosten von rund 46.500 Euro vor Förderung angesetzt.

Die Kosten für Erdsonden hängen unter anderem von der erforderlichen Sondenlänge, der Anzahl der Bohrungen und der Beschaffenheit des Untergrunds ab. Als grobe Orientierung können etwa 20 Meter Sondenlänge je Kilowatt Heizleistung angesetzt werden. Bei einer Heizleistung von 7,5 bis 9 Kilowatt ergäbe dies beispielsweise eine gesamte Sondenlänge von etwa 150 bis 180 Metern. Die tatsächlich erforderliche Länge muss jedoch anhand der Heizlast und der geologischen Bedingungen des jeweiligen Grundstücks berechnet werden.