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Erdwärmekollektoren Wie vom Erdboden verschluckt (Oberflächennahe Geothermie)

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Erdwärme ist eine nahezu unbegrenzte Energiequelle, die sich durch Erdkollektoren und Erdsonden anzapfen lässt. Solch eine Erdwärmeanlage hat im Gegensatz zu anderen Anlagen zur Energieerzeugung den Vorteil, dass die Oberfläche doppelt genutzt werden kann und dadurch meistens viel Fläche gespart wird.

Das Bild zeigt die Vorher-Ansicht nach dem Einbau von einem Erdkollektorenfeld auf dem Gartengelände eines Einfamilienhauses. Vorher: In das Gartengelände eines Einfamilienhauses im Hamburger Westen wurde ein Erdkollektorenfeld eingebracht, um die Erdwärme zu nutzen.

Wie vom Erdboden verschluckt

Direkt unter unseren Füßen schlummert ein gewaltiges, nahezu unerschöpfliches, jederzeit verfügbares Energiepotenzial – die Erdwärme, Geothermie genannt. Oberflächennahe Geothermie nutzt diese Wärme aus Tiefen bis zu 400 Metern. So lassen sich umweltfreundlich Gebäude heizen und kühlen, völlig unabhängig von Jahreszeiten, Wetter oder Klima des Standorts. Mittlerweile sind in Deutschland mehr als 400.000 oberflächennahe Geothermieanlagen in Betrieb und jedes Jahr kommen mehr als 20.000 hinzu. Die Nachfrage steigt bundesweit: 20 Prozent aller Eigenheim-Neubauten werden bereits mit Erdwärme versorgt. Dabei gibt es Optimierungsvarianten für die Klimaanpassung sowie verschiedene Methoden, dieses Potenzial zu nutzen.

Das Bild zeigt die Nachher-Ansicht nach dem Einbau von einem Erdkollektorenfeld auf dem Gartengelände eines Einfamilienhauses. Nachher: Nach Abschluss der Bauarbeiten ist oberirdisch nicht mehr zu erahnen, was sich unter dem Rasen befindet. Dort ist in einer Tiefe von 1,5 Metern eine Erdwärmeanlage aus acht Strängen mit jeweils zehn Modulen bei einem Mindestabstand von 70 cm zueinander verlegt. Insgesamt sind 56 m2 der Grundstücksfläche durch die Kollektorfläche aktiviert.

Wie funktionieren denn Erdkollektoren?

Zu sehen ist davon nichts, aber zu spüren als Warmwasser, Raumwärme oder -kühlung. Erdkollektoren liegen unter Wiesen, Parks, Gärten, Spiel- oder Sportplätzen. Die Freiflächen können – mit gewissen Einschränkungen – weiterhin genutzt oder als naturnahe Flächen mit hoher Biodiversität gestaltet werden. Allerdings müssen die Flächen der Erdkollektoren durch Bebauung unverschattet, unversiegelt und wasserdurchlässig sein, damit die natürliche Regeneration des Erdbodens ungestört bleibt. Ungeeignet sind auf diesen Flächen tiefwurzelnde Sträucher und Bäume. Vegetationsflächen und Sportanlagen mit integrierter Regenwasserbewirtschaftung sind möglich. Selbst unter Parkplätzen mit versickerungsfähigem Pflaster lassen sich Erdwärmekollektoren einsetzen.

Die optimale Kombination zur Klimaanpassung ist jedoch die Ergänzung durch eine Vegetationsfläche mit einer wassersensiblen Geländegestaltung.

Effekte

 Ein Zahnrad-Icon in Braun und Orange.

Clever Kombiniert Effekte

Klimaschutz: Erzeugung erneuerbarer Wärme, klimaneutrale Gebäudekühlung möglich

Klimaanpassung: (Hitzevorsorge durch) Erzeugung von Verdunstungskühlung und Kontrolle der Wärmeabstrahlung, sowie (Überflutungsvorsorge durch) Lenkung, Rückhaltung, Filterung und Versickerung von Regenwasserabfluss (je nach Gestaltung der Oberfläche)

Klimaschutz: Erzeugung erneuerbarer Wärme, klimaneutrale Gebäudekühlung möglich

Klimaanpassung: (Hitzevorsorge durch) Erzeugung von Verdunstungskühlung und Kontrolle der Wärmeabstrahlung, sowie (Überflutungsvorsorge durch) Lenkung, Rückhaltung, Filterung und Versickerung von Regenwasserabfluss (je nach Gestaltung der Oberfläche)

Was heißt das ganz konkret?

Erdwärmekollektoren werden unterhalb der Frostgrenze in 0,8 bis 2,0 Metern Tiefe als Flächen- oder Grabenkollektoren verlegt. Sie nutzen ausschließlich die von der Sonne abgegebene Wärmeenergie, die durch direkte Einstrahlung in den Boden, Wärmeübertragung aus der Luft und vor allem durch den Niederschlag in den Untergrund eindringt. 

Durch Kunststoffrohre strömt in einem geschlossenen Kreislauf ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) als Wärmeträgermedium, das dem Erdreich die Wärme entzieht, beziehungsweise zur Kühlung überschüssige Wärme aus Gebäuderäumen in den Erdboden einbringt und so zwischenspeichert. Die gewonnene Erdwärme wird in der Regel durch den Einsatz einer Wärmepumpe auf ein höheres, zu Heizzwecken geeignetes Temperaturniveau gebracht. Der Wirkungsgrad lässt sich durch die Kombination mit Versickerungsanlagen noch verbessern: Versickert Regenwasser oberflächlich durch die belebte Bodenzone oberhalb der Erdkollektoren, regeneriert sich das durch den Entzug der Erdwärme abgekühlte Erdreich schneller. 

Gibt es Musterbeispiele?

In Schleswig versorgen die Stadtwerke durch ein Erdkollektorenfeld unter Sportplatz und Grünfläche die 150 Wohneinheiten des Neubaugebiets „Berender Redder“ mit Wärme. Das Prinzip heißt „Kalte Nahwärme“, weil nur geringe Übertragungstemperaturen im gesamten Netz erforderlich sind. So werden Verluste vermieden und unterschiedliche Umweltwärmequellen in einem Netz kombinierbar. Im Anschlussraum des jeweiligen Hauses wird der in den Erdkollektoren zirkulierenden Sole die Wärme mit einer Wärmepumpe entzogen. Sie erwärmt damit Heizungswasser auf 35 Grad für eine Fußboden- oder Flächenheizung und das Trinkwarmwasser auf 55 Grad.

In Regensburg erhält das neue Kinderhaus Naabstraße seine Wärme über Erdkollektoren im Außengelände der Kita. Das auf dem Dach des Gebäudes anfallende Regenwasser wird in ein Rigolensystem (unterirdische Versickerungselemente zur Ableitung des Regenwassers) über den Erdkollektoren geleitet und versickert dort, so dass sich das Erdreich besser regeneriert und die Erdkollektoren effizienter arbeiten.

Zitat

 Ein Icon mit Erdkollektoren in Braun.

Durch oberflächennahe Geothermie lassen sich Gebäude umweltfreundlich kühlen und heizen.

Durch oberflächennahe Geothermie lassen sich Gebäude umweltfreundlich kühlen und heizen.


Sind weitere Einsatzgebiete sinnvoll?

Erdkollektoren lassen sich problemlos mit Ackerbau kombinieren. Das nennt man Agrothermie. Neben der landwirtschaftlichen Nutzung der Fläche kann durch die Wärmeerzeugung eine zusätzliche Einnahmequelle für den landwirtschaftlichen Betrieb entstehen. 

In der Gemeinde Wüstenrot im Kreis Heilbronn versorgt ein Erdkollektorenfeld in circa zwei Metern Tiefe eines 1,5 Hektar großen Ackers 23 Wohnhäuser auf 14.700 m2 Siedlungsfläche mit Wärme. Wegen des großen Abstandes der Kollektoren zum Wurzelhorizont der Pflanzen entstehen keine Einbußen der landwirtschaftlichen Erträge.

Was sind die größten Vorteile?

  • Die über Erdkollektoren „eingesammelte“ Wärme ist CO2-neutral. Die dazu benötigte Wärmepumpe wird mit Strom (oder Gas) betrieben. Stammt dieser auch aus erneuerbaren Quellen, ist die gesamte Nutzwärme klimaneutral.
  • Zuverlässige und kostengünstige Energiequelle, da quasi unerschöpflich und von Transporten oder Brennstoffen unabhängig verfügbar.
  • Beim Transport geht in einem kalten Nahwärmenetz, im Gegensatz zur Fernwärme, meist keine Wärme verloren.
  • Die Technik eignet sich auch zur klimafreundlichen Gebäudekühlung, was Klimaanlagen ersetzen kann. Entsprechende Dimensionierung der Anlage ist erforderlich.
  • Geringer Wartungsaufwand, also geringe Betriebskosten.
  • Mehrfache Nutzung von Flächen. Imagegewinn und Marktwertsteigerung der Immobilie und des Grundstücks. 

So funktionieren Erdkollektoren

Das Bild zeigt eine schematische Ansicht eines Erdkollektorenfeld. Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu, um beispielhaft den Aufbau von Erdkollektoren im Detail zeigen zu können.

Linkliste

 Ein Icon mit der Zahl 1 in Orange.

In einem geschlossenen Kreislauf

werden mit Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) als Wärmeträgermedium gefüllte Kunststoffrohre horizontal in einem Sandbett 0,8 bis maximal 2 m tief verlegt. Als Flächen- oder Grabenkollektor.

werden mit Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) als Wärmeträgermedium gefüllte Kunststoffrohre horizontal in einem Sandbett 0,8 bis maximal 2 m tief verlegt. Als Flächen- oder Grabenkollektor.

 Ein Icon mit der Zahl 2 in Orange.

Ausreichend Abstand

der Rohre (50-80 cm) zueinander ist wichtig, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen.

der Rohre (50-80 cm) zueinander ist wichtig, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen.

 Ein Icon mit der Zahl 3 in Orange.

Die Erdwärmekollektoren

sind vom Erdreich überdeckt.

sind vom Erdreich überdeckt.

 Ein Icon mit der Zahl 4 in Orange.

Überpflanzung mit Flachwurzlern

ist möglich, tiefwurzelnder Bewuchs oder Überbauung sind es nicht.

ist möglich, tiefwurzelnder Bewuchs oder Überbauung sind es nicht.

 Ein Icon mit der Zahl 5 in Orange.

Die Rohrenden

sind in einem Sammelschacht zusammengefasst, getrennt als Vor- und Rücklaufleitungen mit speziellen Armaturen.

sind in einem Sammelschacht zusammengefasst, getrennt als Vor- und Rücklaufleitungen mit speziellen Armaturen.

 Ein Icon mit der Zahl 6 in Orange.

Eine Wärmepumpe

bringt die gewonnene Erdwärme von 10 bis 12° C auf eine zu Heizzwecken geeignete Temperatur.

bringt die gewonnene Erdwärme von 10 bis 12° C auf eine zu Heizzwecken geeignete Temperatur.

 Ein Icon mit der Zahl 7 in Orange.

Die dem Erdreich entzogene Wärme

wird durch Sonneneinstrahlung und durch Wärmezufuhr (Sickerwasser) wieder ausgeglichen. Die gezielte Versickerung von Niederschlagswasser oberhalb der Erdwärmekollektoren erhöht die Leistungsfähigkeit der Anlage, da durchfeuchteter Boden eine gute Wärmeübertragung zulässt.

wird durch Sonneneinstrahlung und durch Wärmezufuhr (Sickerwasser) wieder ausgeglichen. Die gezielte Versickerung von Niederschlagswasser oberhalb der Erdwärmekollektoren erhöht die Leistungsfähigkeit der Anlage, da durchfeuchteter Boden eine gute Wärmeübertragung zulässt.


Genauere Informationen zu fachlichen Grundlagen und notwendigen Genehmigungen im Leitfaden Erdwärmenutzung

Ein Foto aus der Bauphase von Erdkollektoren. Wird noch grüner: Die Häuser in einem Neubaugebiet im Hamburger Stadtteil Groß Borstel werden durch Erdkollektoren beheizt und gekühlt. Das Foto entstand in der Bauphase.


Gute Planung von Erdwärmekollektoren

Gute Planung von Erdwärme- kollektoren

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Flächen müssen unversiegelt,

wasserdurchlässig und durch Bebauung unverschattet sein.

wasserdurchlässig und durch Bebauung unverschattet sein.

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Fachgerechte Dimensionierung

der Anlage (ausreichende Abstände der Rohre und Regeneration des Erdreichs).

der Anlage (ausreichende Abstände der Rohre und Regeneration des Erdreichs).

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Frühzeitige Koordination

der Anforderungen an Bau und Betrieb sowie Gewässer- und Grundwasserschutz.

der Anforderungen an Bau und Betrieb sowie Gewässer- und Grundwasserschutz.

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Umweltrisiken

durch Material und Wärmeträgermedium minimieren.

durch Material und Wärmeträgermedium minimieren.

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Erdwärmeanlagen unterliegen dem Wasserrecht

und sind erlaubnispflichtig, Antragstellung bei der Behörde für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft.

und sind erlaubnispflichtig, Antragstellung bei der Behörde für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft.

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Im öffentlichen Raum (Parks, Plätze) Konzept erstellen,

das Vereinbarkeit der Mehrfachnutzung aufzeigt, Zuständigkeiten (Betrieb, Entsorgung) klärt und auch Klimaanpassungsaspekte betrachtet.

das Vereinbarkeit der Mehrfachnutzung aufzeigt, Zuständigkeiten (Betrieb, Entsorgung) klärt und auch Klimaanpassungsaspekte betrachtet.

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Platzbedarf

bei Flächenkollektoren: etwa zweifache Größe der zu beheizenden Fläche.

bei Flächenkollektoren: etwa zweifache Größe der zu beheizenden Fläche.

 Ein Häkchen-Icon in Orange.

Voraussetzung ist Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes.

Die Wärmeentzugsleistung ist bei gut durchfeuchtetem Boden höher als in sandigem und trockenem. Zur Optimierung der Erdwärmeanlage empfiehlt sich daher eine Kombination mit Regenwasserversickerung. Diese stellt in Kombination mit Regenwasserrückhalt in Zisternen auch in Trockenperioden Wasser zur Versickerung bereit.

Die Wärmeentzugsleistung ist bei gut durchfeuchtetem Boden höher als in sandigem und trockenem. Zur Optimierung der Erdwärmeanlage empfiehlt sich daher eine Kombination mit Regenwasserversickerung. Diese stellt in Kombination mit Regenwasserrückhalt in Zisternen auch in Trockenperioden Wasser zur Versickerung bereit.


Fazit

Durch Erdkollektoren werden Klimaschutz (Erzeugung erneuerbarer Wärme, klimaneutrale Gebäudekühlung) und Klimaanpassung optimal aufeinander abgestimmt, die vielfältige Nutzung und die klimawirksamen Funktionen begrünter Flächen bleiben erhalten. 

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