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Erdwärme
Die Erdwärme (auch Geothermie genannt) gehört zu den erneuerbaren Energiequellen und kann grundsätzlich aus unterschiedlichen Tiefen im Erdreich gewonnen werden. Die technische Nutzbarkeit dieser Energiequelle hängt in erster Linie von den geologischen und hydrogeologischen Bedingungen am Standort ab, wobei prinzipiell ab einer Tiefe von 20 m im Untergrund eine konstante Temperatur herrscht, die weder tägliche noch saisonale Schwankungen aufweist. Ab dieser Tiefe steigt die Temperatur etwa alle 33 m um 1 ºC an. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der untergrundaufbauenden Gesteine wird die Wärme auch unterschiedlich geleitet und gespeichert. Hohe Leitfähigkeit und Wärmespeichereigenschaften weisen Festgestein (z.B. Granit, Gneis, Kalkstein, Sandstein) sowie stark wassergesättigtes Lockergestein (z.B. Kies, Sand) auf (siehe Tab. 1).
| Gestein | Wärmeleitfähigkeit W/(mK) | spez. Entzungsöleistung W/m |
|---|---|---|
| Beispiele für Wärmeleitfähigkeit und mögliche spezifische Entzugsleistung (Wärmepumpen-Verdampferleistung) für Erdwärmesonden in Anlagen mit einer Heizleistung bis 30 kW, spez. Entzugsleistung für 1800 h (modifiziert nach VDI 4640) | ||
| Schlechter Untergrund (trockenes Lockergestein) | <1,5 | <25 |
| Festgestein oder wassergesättigtes Lockergestein | 1,5-3,0 | 60 |
| Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit | >3,0 | 84 |
| Kies, Sand, trocken | 0,4 | <25 |
| Kies, Sand wasserführend | 1,8-2,4 | 65-80 |
| Kalkstein, massiv | 2,8 | 55-70 |
| Sandstein | 2,3 | 65-80 |
| Granit | 3,4 | 65-85 |
| Gneis | 2,9 | 70-85 |
Erdwärmesonden
Erdwärmesonden sind Rohrbündel aus PE-Kunststoff. Sie werden in senkrechte Bohrungen mit Tiefen von meist 50 bis 150 Meter eingebracht. Die Bohrungen werden anschließend mit einer Bentonit-Zement-Mischung aufgefüll und verpresst. In die Kunststoffrohre wird eine Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt, welche die im Untergrund gespeicherte Erdwärme aufnimmt. Diese Flüssigkeit zirkuliert zwischen Sonde und einem Wärmetauscher. Im Wärmetauscher wird der Flüssigkeit die Wärme entzogen und durch eine Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und somit für Heizzwecke nutzbar gemacht. Die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert in die Sonde zurück wo sie widerum durch die Erdwärme aufgewärmt wird. Die Anlage kann zudem auch so ausgerichtet werden, dass im Sommer der Kreislauf zum Kühlen verwendet werden kann. Für die Auslegung der Erdwärmesonde werden Parameter wie der Wärmebedarf, die Betriebsstunden der Anlage, sowie der zu erwartende Gesteinsaufbau des Untergrundes herangezogen. Die erzielbare Heizleistung liegt bei 1 kW je 15 - 25 m Sondentiefe.
Erdwärmesonden sind von einer Wasserkonzessionspflicht befreit, es reicht lediglich eine Meldung.
Niederbringung von Erdwärmesonden
Die Niederbringung einer Erdwärmesonde stellt einen tiefgreifenden Eingriff in den natürlichen Untergrund dar. Dieser könnte eine Beeinträchtigung des Grundwassers oder der untergrundaufbauenden Gesteinsschichten zur Folge haben, welche sich wiederum negativ auf die örtlichen Gegebenheiten auswirken könnte. Es gilt daher folgende Punkte, welche die damit verbundenen Problematiken anführen, von Seiten des Bauherrn vor der Errichtung von Erdwärmesonden abzuklären:
- Bei der Bohrung und der Verfüllung des Bohrloches kann aufgrund der verwendeten Zusatzstoffe der Untergrund, bzw. das Grundwasser verschmutzt werden.
- Bei der Bohrung können trennende Schichten durchörtert werden und unterschiedliche Grundwasserkörper miteinander verbunden werden. Artesische Wässer können durch starken Auftrieb verhindern, dass das Bohrloch geschlossen werden kann.
- Bei der Bohrung und der Verfüllung des Bohrloches können umliegende Wassernutzungen beeinträchtigt werden, bzw. zum Versiegen gebracht werden.
- In Rutschungsgebieten und Zonen mit starker tektonischer Auflockerung können die Sonden nachträglich zerstört werden.
Durch Störungen beim Betrieb (z. B. Leckagen) kann der Untergrund, bzw. das Grundwasser verschmutzt werden.
Zur Optimierung und Absicherung größerer Anlagen ab 35 kW oder Anlagen mit min. 5 Erdwärmesonden kann das Amt für Gewässernutzung die Durchführung eines thermischen Response-Tests vorschreiben. Damit lassen sich die thermischen Eigenschaften des Untergrundes empirisch feststellten und die spezifische Auslegung der Sonden exakt bestimmen.
Das Niederbringen von Erdwärmesonden ist in folgenden Gebieten verboten:
- In den Zonen I und II der mittels Dekret ausgewiesenen Trinkwasserschutzgebiete.
- In Trinkwasserschutzgebieten, die im Bauleitplan der Gemeinde ausgewiesen sind und 200 m um jene öffentlichen Trinkwassernutzungsanlagen, die noch nicht mit Trinkwasserschutzzonen behaftet sind. Das Amt für Gewässernutzung kann die Errichtung genehmigen, wenn der Antragsteller, mittels eines spezifischen hydrogeologischen Gutachtens, nachweist, dass der geplante Standort der Erdwärmesonden außerhalb der Zonen I und II liegt.
- In Trinkwasserschongebieten, die mit Dekret ausgewiesen sind.
Im Umfeld von bestehenden Wassernutzungen, wenn eine Beeinträchtigung derselben nicht ausgeschlossen werden kann. Dies muss vom Bauherrn durch entsprechende Erhebungen, ev. auch hydrogeologischer Art, abgeklärt werden. Auf jeden Fall sind folgende Mindestabstände einzuhalten:
30 m um jeden Brunnen und 100 m von Trinkwasser-Hausbrunnen. - 30 m unterhalb und 200 m oberhalb gefasster Quellen.
Erdwärmesonden dürfen nicht innerhalb gespannter oder artesischer Aquifere geführt werden. Diese sind grundsätzlich der Trinkwassernutzung vorbehalten.
Der Bauherr muss bereits im Vorfeld der Planung der Erdwärmegewinnungsanlage abklären, ob sich der gewählte Standort für die Niederbringung von Erdwärmesonden eignet, da bestehende Wassernutzungen durch diese gefährdet sein könnten, bzw. in Trinkwasserschutzgebieten besondere Vorschriften gelten. Das Amt für Gewässernutzung stellt dazu einen gewährfeien Datenauszug über die konzessionierten und beim Amt gemeldeten Wassernutzungen und Trinkwasserschutzgebiete zur Verfügung. Das eigens dafür vorgesehene Gesuchsformular ist beim Amt für Gewässernutung schriftlich, per Telefax oder e-mail unter Angabe des Standortes einzureichen. Letztendlich muss sich der Bauherr selbst vergewissern, wo im Umfeld Wassernutzungen vorhanden sind.
Gesetzliche Grundlage
Mit Beschluss der Landesregierung Nr. 3564 vom 26/09/2005 wurde die technische Regelung zur Niederbringung von Erdwärmesonden festgelegt, welche die Vorgangsweise, sowie die rechtlichen und technischen Rahmenbedingungen für ein solches Vorhaben anführt.
Meldung zur Errichtung von Erdwärmesonden:
Für die Niederbringung von Erdwärmesonden ist eine Meldung erforderlich, die mindestens 20 Tage vor Baubeginn beim Amt für Gewässernutzung eintreffen muss.
Der Bohrbeginn muss auf den Tag genau mindestens 2 Arbeitstage vorher schriftlich dem Amt für Gewässernutzung mitgeteilt werden.
Nach der Beendigung der Erdwärmesonden ist ein Bohrprotokoll beim Amt für Gewässernutzung einzureichen.
Direkte Wärmenutzung von Grundwasser
Die Grundwasser-Wärmepumpe-Anlage nutzt das Grundwasser als Energiequelle. Aufgrund der ganzjährig konstanten Grundwassertemperaturen, in der Regel von ca. 8 - 12 ºC, eignet sich das Grundwasser zum Heizen z.B. von Gewerbegebäuden oder Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie zum Kühlen von Gebäuden und Kühlzellen. Das Grundwasser wird dafür in der Regel über einen Förderbrunnen entnommen und einer Wärmepumpe zugeleitet. In dieser wird eine gewisse Menge an Wärme dem Grundwasser entzogen. Das durch diesen Prozess abgekühlte Wasser wird dann in einem Schluckbrunnen dem Grundwasserkörper wieder zugeführt. Die so über die Wärmepumpe gewonnene Energie wird dem Heizkreislauf des Gebäudes zugeführt. Durch die Umkehrung dieses Systems wird die Anlage zum Kühlen verwendet. Die Grundwasserentnahme und –rückgabe für den Betrieb der Wärmepumpe nimmt direkten Einfluss auf den Grundwasserkörper. So bewirkt die Entnahme von Grundwasser eine lokale Absenkung des Grundwasserspiegels, welche wiederum benachbarte Grundwassernutzungen in ihren Betrieb beeinträchtigen könnte. Anderseits kann die Wiedereinspeisung des entnommenen Wassers in den Grundwasserkörper eine chemische, bakteriologische und thermische Veränderung des Grundwassers zur Folge haben. Die Grundwasserentnahme für Kühl- und Wärmezwecke ist daher verboten, wenn andere Grundwassernutzungen beeinträchtigt werden und generell in Trinkwasserschutzgebieten. Die Wassernutzung für eine Grundwasser-Wärmepumpe-Anlage ist konzessionspflichtig und entsprechend der benutzten Wassermenge ist ein jährlicher Wasserzins zu entrichten. Für die Vergabe der Wasserkonzession muss ein Gesuch mit den vorgeschriebenen Unterlagen (Projekt und hydrogeologische Studie) eingereicht werden.
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Wasserrechtsverfahren
Das Wasserrechtsverfahren selbst sieht folgenden Ablauf vor:
- Einreichung des Konzessionsgesuches und des Projektes
Wenn es als undurchführbar, im Widerspruch zum guten Wasserhaushalt oder zu anderen allgemeinen Interessen steht, kann es ohne Verfahren mit begründetem Dekret abgelehnt werden. - Die Zulassung des Gesuchs zum Verfahren erfolgt mit Verordnung des Amtsdirektors, in welcher u.a. das Datum und der Ort des Lokalaugenscheins sowie die Frist für Einsprüche enthalten sind.
- Die Veröffentlichung der Verordnung geschieht für 15 Tage in den betroffenen Gemeinden und im Amt selbst. Während dieses Zeitraums kann jeder in das Projekt Einsicht nehmen. Eventuelle Einsprüche gegen das Gesuch müssen schriftlich innerhalb der festgesetzten Frist (1 Tag vor dem Lokalaugenschein) bei der Gemeinde oder beim Amt eingereicht werden.
- Beim Ortsaugenschein muss der Gesuchsteller oder ein von ihm beauftragter Vertreter anwesend sein und es sind die zuständigen Ämter vertreten. Es kann weiters jeder Interessierte daran teilnehmen und seine Bemerkungen und Stellungnahmen vorbringen.
- Konkurrierende Gesuche (technisch unvereinbare Gesuche) sind innerhalb von 30 Tagen ab Ortsaugenschein zulässig. Sie werden mit dem gleichen Verfahren behandelt und am Ende des Untersuchungsverfahrens gemeinsam bewertet und einem Gesuch wird dann der Vorzug gegeben. Ausschlaggebend dafür ist die rationellste Nutzung der Gewässer in Hinsicht im wesentlichen auf die Kriterien Bedarfsdeckung, Vermeidung der Wasserverschwendung und Eigenschaften des Gewässers.
- Nach Abschluss des Untersuchungsverfahrens werden eventuelle Einsprüche und die Ergebnisse des Untersuchungsverfahrens bewertet.
- Konzession: Nach Einlangen des UVP-Gutachtens und ev. anderer erforderlicher Gutachten wird das Konzessionsdekret mit allen notwendigen Bedingungen und Auflagen vom zuständigen Landesrat erlassen.
Wärmepumpen
Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip gleich wie ein Kühlschrank, der den eingelagerten Lebensmitteln Wärmeenergie entzieht und diese Energie mit einer höheren Temperatur an die umgebende Raumluft abgibt.
Bei der Wärmepumpe hingegen wird die Wärme z.B. dem Erdreich entzogen, auf ein höheres Temperaturniveau „gepumpt“ und für Heizzwecke und Warmwasserbereitung verwendet. Dabei muss allerdings zusätzliche Energie aufgewandt werden, um die Wärmepumpe in Gang zu halten. Wie viel Energie hierfür eingesetzt werden muss, das ist die entscheidende Frage bei der Nutzung der Erdwärme und wird mit dem Begriff „Jahresarbeitszahl“ beschrieben. Die Jahresarbeitszahl ist das Verhältnis zwischen der im Jahresverlauf von der Wärmepumpe produzierten Wärmeenergie und der aufgewandten Antriebsenergie, sie hängt von der Temperatur der Wärmequelle (je höher, je besser), der benötigten Heizungsvorlauf- oder Warmwassertemperatur (je niedriger, je besser), der Qualität der Anlage und vor allem von der Leistungszahl ab.
Als Wärmequelle werden in Mitteleuropa vorwiegend Erdwärmesonden eingesetzt, da hier bei richtiger Dimensionierung ganzjährig gute Temperaturen bei gleichzeitig geringem Platzbedarf erzielt werden können.
Erdwärmekollektoren, die in geringer Tiefe schlangenförmig verlegt werden, liefern bei kalten Außentemperaturen niedrigere Temperaturen und bedingen so schlechtere Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpen. Zudem ist hier der Flächenbedarf relativ hoch (25 bis 50 m² Grundfläche je kW Heizleistung).
Das wichtigste Kriterium für die Erreichung einer hohen Jahresarbeitszahl ist die benötigte maximale Heizungsvorlauftemperatur, die 45°C nicht überschreiten sollte. Idealerweise wird ein Niedertemperaturheizsystem mit Temperaturen unter 35°C eingesetzt, z.B. eine Fußboden- oder Wandheizung. Gerade bei bestehenden Gebäuden scheitert der Einsatz von Wärmepumpen zumeist wegen der vorhandenen Heizkörperheizung, die hohe Vorlauftemperaturen benötigt.
Bei der Warmwasserbereitung mittels Wärmepumpe sollte für hohe Arbeitszahlen die eingestellte Temperatur am Warmwasserspeicher auf maximal 45°C begrenzt werden. Das ist bei Einfamilienhäusern mit kleinen Speichervolumina auch unter hygienischen Gesichtspunkten zulässig, kann aber bei größeren Warmwasserspeichern zu Problemen führen (Legionellengefahr), wobei dann entsprechende Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen.
Als Kenngröße für die Qualität einer Wärmepumpe wird meist die Leistungszahl angegeben. Diese ist ein Wert, den die Wärmepumpe in einem bestimmten Betriebspunkt erreicht. Bei modernen elektrisch betriebenen Wärmepumpen liegt die Leistungszahl bei über 5, d.h. man erhält 5 kWh Wärme bei Einsatz von 1 kWh elektrischer Energie.
Nachteil der elektrischen Wärmepumpen ist der Einsatz des hochwertigen Energieträgers Strom als Antriebsenergie, wodurch sich die Einsparung an Primärenergie deutlich reduziert. Beim Einsatz einer solchen Wärmepumpe in Kombination mit Erdwärmesonde und Niedertemperaturheizung sind effektive Jahresarbeitszahlen von 4 und größer zu erwarten, wodurch die Energiebilanz insgesamt aber immer noch deutlich besser ist als bei einer Öl- oder Gasheizung. In einer Wirtschaftlichkeitsrechnung zu berücksichtigen sind bei einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe zusätzliche Kosten durch die notwendige höhere Stromanschlussleistung und etwas höhere Stromtarife als beim „begünstigten“ Haushaltsstrom.
Eine interessante Alternative sind die gasbetriebenen Absorbtions-Wärmepumpen. Anstatt mit einem elektrischen Kompressor wird der Prozess der Wärmepumpe durch einen Gasbrenner in Gang gehalten, die Einsparung an Primärenergie ist im Vergleich zur elektrisch betriebenen Wärmepumpe dadurch höher.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Nutzung von Erdwärme mit modernen Wärmepumpen eine sinnvolle Alternative zu den fossilen Energieträgern darstellt, sofern die wichtigsten Parameter eingehalten und die Anlagen korrekt dimensioniert werden.