Kellerraum mit Elementen eines Heizpumpensystems für Erdwärme: zwei gelbe, zylindrische Wasserbehälter und ein gelber Reglerkasten.
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Geothermie

Es hat was von Gold schürfen: In der Erde liegt ein Schatz, den Hessen für seine Energiewende nutzt.

Geothermie

Erdwärme steht konstant Tag und Nacht, im Sommer wie im Winter zur Verfügung. In Hessen wird sie zunehmend dazu genutzt, Gebäude zu beheizen

Der Begriff Geothermie bezeichnet sowohl die in der Erde gespeicherte Wärmeenergie als auch ihre technische Nutzung. Da sie grundsätzlich durchgehend zur Verfügung steht und nur geringen Schwankungen unterliegt, kann sie verlässlich zum Heizen und zur Stromerzeugung, aber auch zum Kühlen dienen. In Deutschland wird sie aktuell vor allem zur Heizwärmegewinnung genutzt. Dieser Teil der Energiewende, die Wärmewende, muss dringend vorangetrieben werden, um die Klimaschutzziele zu erreichen.

Die Temperatur – und damit auch die nutzbare Energie – steigt mit zunehmender Tiefe an: in Deutschland um durchschnittlich drei Grad Celsius pro hundert Meter. Wenn man von einer Temperatur von zehn Grad in 20 Metern Tiefe ausgeht, bedeutet das 13 Grad in 120 Metern Tiefe, 16 Grad in 220 Metern Tiefe usw. Bis zu einer Tiefe von 400 m wird von oberflächennaher Geothermie gesprochen, ab 400 m von mitteltiefer und ab 1000 m von Tiefengeothermie.

Oberflächennahe Geothermie

Bei der Nutzung oberflächennaher Erdwärme oder des Grundwassers als Wärmequelle, kommt in der Regel die Wärmepumpe zum Einsatz, um die Temperatur auf ein technisch nutzbares Niveau anzuheben. Wird die Wärmepumpe ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben, handelt es sich um eine CO2 freie Wärmeerzeugung..

Zur Erschließung der oberflächennahen Erdwärme stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. In Deutschland sind die häufigsten Anlagentypen Erdwärmesonden. Darin zirkuliert ein flüssiges Wärmeträgermittel, das die Wärme aus dem Untergrund aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Erdwärmekollektoren. Hier werden horizontal Rohrleitungen in geringer Tiefe in der Erde verlegt. Auch Mischformen sind möglich. In geothermischen Brunnenanlagen wird Grundwasser gefördert und die Wärmeenergie des Wassers über einen Wärmetauscher auf den Kreislauf der Wärmepumpe übertragen. Die meisten Systeme könnten auch umgekehrt, zum Eintrag von Wärme in die Erde genutzt werden und stehen damit auch zur Gebäudekühlung zur Verfügung.

Illustration eines Wohnhauses mit Solarzellen auf dem Dach und Erdwärme-Heizpumpensystem im Keller. Die Leitungen führen vom Erdboden in den Kellerraum zum Pumpsystem, von dort in die Obergeschosse mit Fußbodenheizung und Dusche.
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Großanlagen in Marburg und Frankfurt

Siegeszug der Wärmepumpen

2019 basierte in Hessen zum ersten Mal der größte Teil der Heizungen in neu gebauten Wohnungen im Schwerpunkt auf erneuerbaren Quellen. Das ist vor allem dem zunehmenden Einbau von Wärmepumpen zu verdanken. Das Bild prägen zu Zeit Luftwärmepumpen, die die Umgebungswärme aus der Luft nutzen. Erdgebundene Wärmepumpen, die die Geothermie nutzen werden leider trotz ihrer hohen Effizienz noch in deutlich geringerem Maße eingebaut. Begründet ist das auch mit Informationsdefiziten bezüglich der Technologien und ihre Leistungsfähigkeit.

Der Einbau von Erdwärmepumpen wird .vom Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) erfasst. Demnach wurden seit dem Jahr 2000 in Hessen insgesamt rund 8.800 Erdwärmesondenanlagen errichtet. Pro Jahr kommen aktuell nur etwa 200 weitere Anlagen hinzu. Das Land Hessen möchte mit verschiedenen Maßnahmen diesen Trend umkehren und die Ausbauzahlen erdgebundener Wärmepumpen helfen deutlich zu erhöhen. Beispiele sind der durchgeführte und dokumentierte Faktencheck Geothermie, ein kurzes Image-Video (verlinken), verschiedenste Informationsveranstaltungen und die Bereitstellung von sogenannten geothermischen Steckbriefen für rund 20 Kommunen in Hessen.

Mitteltiefe und Tiefengeothermie

Grafik Querschnitt Erdbodenschichten: An der Oberfläche Fabrikgebäude neben kleinerem landwirtschaftlichem Betrieb und Wohnhaus. Von den Gebäuden gehen verschieden tiefe Bohrleitungen in den Erdboden mit Anzeige der Erdwärmetemperaturen durch Thermometersymbole.
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Die Mitteltiefe und die Tiefengeothermie spielen in Hessen noch eine untergeordnete Rolle. Zwar gibt es interessante Wärmepotentiale im nördlichen Oberrheingraben und im Bereich der Frankfurter Wärmeanomalie. Bis heute ist aber deren technische Nutzung nur in einem Projekt in Heubach gelungen.

Wünschenswert ist, dass auch in Hessen einmal Potentiale in der Tiefe identifiziert werden, deren Temperaturniveau und Wasservorkommen hoch genug ist, um in einem Geothermiekraftwerk neben der Wärmegewinnung auch Strom zu erzeugen. Dies wurde mit einem Projekt in Trebur angestrebt, Die Messungen an einer entsprechenden Bohrung haben aber die Möglichkeit des Betriebes eines Geothermekraftwerkes zunächst nicht erkennen lassen. Wird mittels der Wärme auch Strom produziert, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung.


Tiefengeothermieprojekt Heubach

Pilotprojekt Heubach

Das erste hessische mitteltiefe Geothermie-Forschungs- und Entwicklungsprojekt ist beim Energieversorgungsunternehmen Entega in Groß-Umstadt im Landkreis Darmstadt-Dieburg angesiedelt. Die Anlageninvestition und die wissenschaftliche Begleitung des Projektes wurde vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Klimaschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (HMUKLV) gefördert. Die Anlage im Ortsteil Heubach, die seit 2012 in Betrieb ist, hat eine 773 Meter tiefe Erdwärmesonde und heizt die Produktionsgebäude eines mittelständischen Industriebetriebes. Zudem wurden acht Erdwärmesonden mit Tiefen von 82 bis 138 Metern zur Kühlung von Bürogebäuden errichtet. In dem Projekt soll auch geprüft werden, inwieweit sich diese Technik für andere Anwendungen eignet, etwa für platzsparende Wärmegewinnung im innerstädtischen Bereich.

Genehmigungsverfahren

Geothermische Bohrung für eine Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus in einem Regensburger Wohnviertel, Regensburg (Bayern).
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Bohrungen für Erdwärmesonden können sich – je nach Standort – auf das Grundwasser auswirken. Deshalb bedürfen Erdwärmesonden grundsätzlich einer wasserrechtlichen Erlaubnis. In Hessen regelt der Erlass „Anforderungen des Gewässerschutzes an Erdwärmesonden“ das Verfahren. In der Schutzzone III/IIIA von Trinkwasserschutzgebieten sind Erdwärmesonden grundsätzlich nicht zulässig. Das gilt nicht für Erdwärmekollektoren, die mindestens einen Meter über dem höchsten Grundwasserstand liegen, und für Erdwärmekörbe, Spiral- oder Schneckensonden, sofern die Einbautiefe von drei Metern nicht überschritten wird.

Für Erdwärmesondenanlagen bis 30 Kilowatt (kW) Heizleistung in „günstigen Gebieten“ kann das Erlaubnisverfahren mit vereinfachten Antragsunterlagen durchgeführt werden, wenn bestimmte Auflagen an Bauausführung und Betrieb eingehalten werden. Eine fortlaufend aktualisierte Online-Übersicht über die Gebiete, die als hydrogeologisch und wasserwirtschaftlich günstig zu beurteilen sind, bietet der GeothermieViewer des HLNUG. Daraus geht auch hervor, welche Gebiete ungünstig und welche wasserwirtschaftlich unzulässig für die Nutzung von Sonden sind
Im Falle der Einstufung hydrogeologisch oder wasserwirtschaftlich ungünstig bedeutet das lediglich, das ein hydrogeologisches Gutachten von dem HLNUG angefordert werden muss, um bei positiver Bewertung den Bau einer Erdwärmesonde zu ermöglichen.

Unabhängig vom wasserrechtlichen Genehmigungsverfahren ist für jedes Erdwärmesonden-Vorhaben zu prüfen, ob ein bergrechtlicher Betriebsplan für das Bohren oder eine bergrechtliche Bewilligung für den Betrieb der Erdsonde erforderlich ist. Das hängt unter anderem von der Leistung der Anlage, der Bohrtiefe und dem Abstand der Erdwärmesonde von der Grenze zum Nachbargrundstück ab.

GeothermieViewer des HLNUG

Steckbriefe

Die Genehmigungsfähigkeit sagt nichts darüber aus, ob die Erdwärmenutzung an einem bestimmten Standort empfehlenswert bzw. wirtschaftlich ist. Hier spielen viel Faktoren ein Rolle, Zur Bewertung befragt man am besten einen Planer für Geothermieanlagen. Einen ersten Überblick zu den Faktoren Temperatur und Wärmeleitfähigkeit kann man sich beim Geothermieviewer der HLNUG schaffen. Für einige Kommunen erstellen das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) und das Hessische Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Wohnen (HMWEVW) seit 2019 in einem gemeinsamen Projekt für ausgewählte Wohngebiete „Steckbriefe“ für die Nutzung oberflächennaher Geothermie mittels Erdwärmesonden. Sie sollen Planern und Bauherrinnen und -herren als Entscheidungshilfe dienen.

Zur Erkundung der geologischen und geothermischen Situation an dem jeweiligen Standort werden Erkundungsbohrungen durchgeführt. Bisher gibt es die Steckbriefe für drei Baugebiete, sogenannten Plus-Energie-Siedlungen, insgesamt werden es zeitnah rund 20 Steckbriefe für Baugebiete erstellt werden.

Generell eignet sich Erdwärme sowohl für die Wärmeversorgung von Neubauten als auch für viele Bestandsgebäude. Letztere spielen für die nötige Wärmewende eine besonders große Rolle. Klimafreundliche Systeme wie Wärmepumpen mit verschiedenen Wärmequellen können zu großer Effizienzsteigerung und CO2-Einsparung bei der Wärmeerzeugung führen, wenn sie alte, auf fossilen Brennstoffen basierende Systeme ersetzen.

Der Staat fördert den Einbau von Wärmepumpen sowohl in Neubauten als auch im Bestand. Zum einen gibt es Zuschüsse vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), zum anderen bietet die Förderbank Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) zinsgünstige Kredite . Alternativ können Sanierungskosten teilweise steuerlich geltend gemacht werden.