Betriebserfahrungen und Wirtschaftlichkeitsanalysen zur Geothermie

Wärmetank und Kältespeicher

Der Klimawandel und die als Folge der Verknappung von fossilen Energieträgern einsetzende Verteuerung der Rohstoffe sorgen aktuell für einen Boom bei alternativen Energiekonzepten. Eine Möglichkeit bietet die Nutzung der Erdwärme, denn sie steht unabhängig von Witterungsbedingungen, Tages- und Jahreszeit zur Verfügung und ist langfristig nutzbar. Doch wie sieht es mit der Wirtschaftlichkeit aus? Zwei Beispiele – ein Erfahrungsbericht zum Vorgehen bei der Projektplanung und ein Einblick in eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung – demonstrieren energetisch günstige Kennzahlen beim Einsatz von Geothermie, aber auch die Notwendigkeit von Messungen und Optimierungen nach Gebäudefertigstellung.

Text: Andreas Niewienda

Die Planungen für das Büro- und Verwaltungsgebäude »Obere Waldplätze 11« in Stuttgart (Bild 1) begannen im Jahr 2000. Es bestand die Aussicht, dass die Planer das Gebäude selbst als Nutzer beziehen konnten. Dadurch ergab sich die Möglichkeit, einige Visionen in die Realität umzusetzen und im Rahmen weiterführender Untersuchungen den Betrieb zu dokumentieren und darüber hinaus auch Optimierungen anzubringen. OWP 11 wird mit einer monovalenten Wärmepumpe über ein Geothermiefeld beheizt und gekühlt. Zum Zeitpunkt der Planung waren solche Systeme in Deutschland noch selten in größeren Bauprojekten realisiert worden, Planungs- und Betriebserfahrungen für Bürobauten nur spärlich vorhanden und zum Teil nicht übertragbar. Um aber ein tragfähiges Konzept für ein derartiges Bauwerk finden zu können, wurden unter anderem umfangreiche Simulationsberechnungen durchgeführt. Im Laufe dieses Prozesses entschied man sich, ein Gebäude zu errichten, das den Anforderungen eines Niedrig- energiehauses in Bezug auf den Heizwärmebedarf gerecht wird. Dabei war auch der thermische Komfort zu beachten, was insbesondere die sommerlichen Raumtemperaturen betraf. Deshalb wurden folgende Maßnahmen umgesetzt:
  • Sehr gute Wärmedämmung der Gebäudehülle. Erreichbar war dies mit Hilfe gut gedämmter Außenwände, der Verwendung von Dreifach-Wärmeschutzverglasungen, einer sehr guten Isolierung des Daches und der Kellerdecke. Auch die großflächig verglaste Eingangshalle wurde mit Dreifachverglasungen ausgestattet.
  • Mechanische Be- und Entlüftung des Gebäudes mit einer RLT-Anlage mit Wärmerückgewinnung über einen Rotationswärmetauscher. Die Luftmenge wurde nach den aus hygienischer Sicht erforderlichen Mindestluftmengen bemessen. Die Büroarbeitsplätze werden beispielsweise mit 40 m³/h Außenluftrate versorgt. Die Anlage wird zentral gesteuert und ist nur während der Nutzungszeiten in Betrieb. Die mittlere Luftwechselrate bei Betrieb der Anlagen liegt bei etwa. 1,7/h.
  • Belegung der Decken und Fußböden mit Flächenheiz- und -kühlsys- temen. Die Grundlast der Heiz- und Kühlleistung wird mit Hilfe einer thermischen Betonkernaktivierung bereitgestellt. Die Beladung der massiven Bauteile erfolgt zeitversetzt zur Nutzung über Nacht. Die Raumtemperaturen werden ebenfalls über in den Decken integrierte Heiz-/Kühlsysteme mit Einzelraumsteuerung über Tag reguliert. Diesen Systemen gemeinsam ist eine sehr niedrige Vorlauftemperatur im Heizfall und die Möglichkeit, mit Wassertemperaturen nahe der Raumtemperatur zu kühlen. Im Heizfall liegen die Vorlauftemperaturen bei etwa 25 °C (nachts) und 35 °C (tags). Im Kühlfall liegen die Vorlauftemperaturen bei 20 °C (nachts) und etwa 18 °C (tags).
Diese Anforderungen eigneten sich hervorragend für eine Geothermie- nutzung zum Heizen und Kühlen. Heizkörper waren nicht notwendig. Nur in den Besprechungsräumen und in der Kantine gibt es regelbare Heiz-/Kühldecken.
Grundlagen der Planung und Systemdimensionierung
Für die Planung wurde eine Simulation des energetischen und thermischen Gebäudeverhaltens unter definierten Randbedingungen durchgeführt. Variantenuntersuchungen verdeutlichten die Effekte unterschiedlicher Raumheiz- und Kühlsysteme. Die Simulationen zeigten, dass die Temperaturen in den Büros mit Hilfe des geplanten Kühlsystems im Sommer auf maximal 26 °C bis 27 °C ansteigen werden. Die Analyse des ›
› Lastgangverlaufs von Heizung und Kühlung wurde für die Auslegung des Erdsondenfelds und der Wärmepumpe (beziehungsweise den Wärmetauscher) für die freie Kühlung herangezogen. Zur Absicherung der Untersuchungen wurde ein so genannter Thermal-Response-Test an einer Probebohrung einer darin installierten Erdsonde durchgeführt. Darauf aufbauend erfolgten die Simulationen der Anlagensysteme und des Geothermiefelds.
Die Ergebnisse waren vielversprechend. Im Sommer sollte das Erdsondenfeld die komplette Kühlenergie für das Gebäude liefern können. Wirtschaftlichkeitsrechnungen hinsichtlich der jährlich anfallenden effektiven Baunutzungskosten ergaben im Vergleich mit der klassischen Energieversorgung (Ölheizung und Kompressionskältemaschine) eindeutige Vorteile für das Geothermiekonzept. Auf Basis der zum Zeitpunkt der Planung vorliegenden Daten lag der Vorteil in den Baunutzungskosten bei etwa 3 %. Anhand der durchgeführten Untersuchungen entschieden sich die Bauherren für die Ausschreibung eines Konzepts mit 1200 m Erdsonden und einer Wärmepumpe mit 70 kW thermischer Leistung. Die Wirtschaftlichkeit wurde inzwischen auch im Betrieb unter Beweis gestellt. Unter Berücksichtigung des realen Heizwärmeaufwands und der zwischenzeitlich eingetretenen Preisänderungen bei Strom und Heizöl ergeben sich Kostenvorteile von circa 7 % (Bild 3).
Anlaufphase – erste Betriebserfahrungen
Das Gebäude wurde nach einer etwa einjährigen Bauphase im Frühjahr 2002 fertiggestellt und bezogen. Durch die Analyse von Messdaten der für den Betrieb der Anlagen vorhandenen Gebäudeleittechnik und eine spätere Ergänzung von Messeinrichtungen im Rahmen eines Forschungsprojekts (DBU-Projekt Innoreg) konnten viele Schwachpunkte abgestellt und das Zusammenspiel aller Komponenten im Laufe der nächsten zwei Jahre entscheidend verbessert werden.
So mussten zum Beispiel im ersten Betriebsjahr viele Ausfälle der Wärmepumpe hingenommen werden, weil der automatische Wiederanlauf nach Stromausfällen oder Hochdruckstörungen nicht ordnungsgemäß funktionierte. Um das häufige Takten der Wärmepumpe im Teillastbetrieb zu verhindern, wurden Pufferspeicher nachgerüstet; ebenso fanden Nachbesserungen für die Sensorik und Hydraulik der Wärmepumpe statt. Um die Einzelraumregler zu optimieren, wurden die Raumtemperaturfühler nachkalibriert und gegen die Wand isoliert. Weitere entscheidende Änderungen betrafen die Beladungsstrategie der Betonkernaktivierung. So wurden höhere Anteile an der Heiz- und Kühlarbeit auf die Randstreifenelemente verlagert, um eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Raumtemperaturen in unterschiedlichen Nutzungszonen erreichen zu können. Mittlerweile funktioniert die Technik gut (Bilder 4–6). Seit 2004 ist ein Zustand erreicht, der als nahezu störungsfrei bezeichnet werden kann.
Entscheidender Faktor: der Stromverbrauch
Beim wirtschaftlichen Betrieb einer geothermischen Anlage spielt der Stromverbrauch für die Wärmepumpe eine wesentliche Rolle. Deshalb ist es notwendig, möglichst wenig elektrische Energie einzusetzen, um die benötigte Wärme im Gebäude zur Verfügung stellen zu können. Dies ist in der Planung zu untersuchen, von den ausführenden Firmen bei der Umsetzung zu garantieren und letzten Endes im Betrieb messtechnisch nachzuweisen. Letzteres bedingt entsprechend genaue Messeinrichtungen, an deren Festlegung in der Ausschreibung gedacht werden muss.
Messungen aus den Jahren 2004 und 2005 konnten für das Projekt OWP 11 beweisen, dass für die Heizung eine Jahresarbeitszahl > 4 möglich ist. Dabei wurden der Strom für den Betrieb der Kompressoren der Wärmepumpe und der Umwälzpumpe des Erdsondenfelds bilanziert und ins Verhältnis zur ans Gebäude gelieferten Wärmemenge gesetzt (Bild 7).
Ohne Berücksichtigung der Umwälzpumpe wurden sogar Arbeitszahlen über 4,3 erreicht. Im Kühlfall beträgt das Verhältnis des eingesetzten Stroms für den Betrieb der Umwälzpumpe des Geothermiefelds zur ins Gebäude gelieferten Kältemenge in der Jahresbilanz etwa 1:12.
Selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, dass zur Erzeugung einer Energieeinheit Strom etwa drei Energieeinheiten Wärme in Grundlastkraftwerken aufgewendet werden müssen, wird deutlich, dass mit dem Einsatz von Geothermie im Zusammenhang mit Wärmepumpen sehr gute Primärenergiebilanzen möglich sind. Die Betriebskosten sind gegenüber Systemen wie Ölheizungen und Kompressionskältemaschinen entsprechend niedriger. Dies wiederum ist die Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit, schließlich müssen die niedrigeren Betriebskosten die Mehrkosten bei den Investitionen amortisieren. Der Primärenergieaufwand für Heizen, Kühlen, Luftförderung und Beleuchtung liegt bei dem vorgestellten Gebäude bei etwa 110 kWh/m²a. Damit wird der Grenzwert des Solarbau-Monitor- Programms von 100 kWh/m²a im Betrieb fast erreicht (Bild 8). ›
Wirtschaftlichkeitsüberlegungen
Bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen unterscheidet man zwischen den Kapitalkosten, die der Investor zu tragen hat, und den jährlich anfallenden Kosten, die in der Regel auf den Nutzer umgelegt werden können. Die »Warmmiete« wird wesentlich bestimmt
  • durch die annuisierten Kosten aus den Investitionskosten und den jährlichen Kosten für den Anlagenbetrieb,
  • die Instandhaltungskosten,
  • die Energiekosten und
  • die Betriebskosten.
Ein aktuelles Beispiel für das Thema Wirtschaftlichkeit von Geothermie ist das Wohn- und Geschäftshaus »Eugensplatz« in Stuttgart. Bei diesem Bau mit gemischter Nutzung – Wohnungen, Büros und ein Geschäft – wird Geothermie für Heizung und Kühlung der thermischen Betonkernaktivierung und für die RLT-Anlage der Büros genutzt. Die Versorgung der Fußbodenheizung in den Wohnungen erfolgt über eine Wärmepumpe. Als Spitzenlastsysteme werden Heizkörper für die Regulierung der Bürotemperaturen eingesetzt. Diese werden über eine Gas-Brennwert-Therme gespeist, die auch die Warmwasserbereitung für die Wohnungen übernimmt. Durch die Entkopplung der Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Systeme kann die Dimensionierung der Wärmepumpe – und damit des Geothermiefelds – hier noch kleiner ausfallen.
Die Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen nach VDI 2067 wurden in der Vorplanung für drei Varianten durchgeführt:
  • Variante 1: Monovalente Wärmepumpe mit 80 kW Heizleistung, Kühlung über das Geothermiefeld (Sondenlänge gesamt: 1200 m).
  • Variante 2: Wärmepumpe mit 50 kW Heiz- leistung, 30 kW Gaskessel, Kühlung über das Geothermiefeld (Sondenlänge gesamt: 600 m).
  • Variante 3: 80 kW Gaskesselanlage, Kühlung über eine Kältemaschine mit Rückkühlwerk.
Die Methoden 2 und 3 waren bei der Betrachtung der niedrigsten Gesamtkosten und somit der wirtschaftlich günstigsten Variante ungefähr identisch. Bei annähernd gleichen Annuitäten (bzw. Baunutzungskosten) werden jedoch bei Variante 2 gegenüber der Variante 3 (klassische Variante) etwa 40 % an Primärenergie eingespart und die Umwelt entsprechend entlastet (Bilder 9–11). Im Fall 1 hätte – zusätzlich zu der schwer zu realisierenden, hohen Zahl an Bohrungen auf dem sehr begrenzten Baufeld – die Warmwasserbereitung die Arbeitszahl der Wärmepumpe beeinträchtigt. So entschied sich der Investor nach Darstellung der Variantenuntersuchung für die Realisierung des Konzepts nach Variante 2.
Fazit
Fehlendes Wissen und mangelnde Erfahrung haben Anfang der 1980er Jahre dazu geführt, dass die Wärmepumpentechnologie in Deutschland wieder von der Bildfläche verschwand. Dennoch sind Energiekonzepte mit Geothermie unter bestimmten Randbedingungen wirtschaftlich gegenüber klassischen Versorgungskonzepten. Maßgeblich ist vor allem, dass anhand ausgeführter Pilotprojekte genügend Know-how innerhalb einer Branche aufgebaut werden kann. Nur wenn die Erkenntnisse der letzten Jahre in die Weiterentwicklung von Planung, Ausführung und Technik einfließen, hat die Geothermie eine Chance, sich dauerhaft zu etablieren und die Umsetzung komplexer Gebäude- und Anlagevarianten kann reibungslos vonstatten gehen – deshalb sind in den folgenden Jahren weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte geplant, die diesen Anforderungen Rechnung tragen sollen. •