Wie eine Erdwärmesonde einer Wärmepumpe Wärme bringt

Wie kommt eine Erdwärmepumpe an Erdwärme? Eine Möglichkeit sind Erdwärmesonden. Wie diese aufgebaut sind und arbeiten, was für ihre Installation erforderlich ist und wie viel diese kostet, erfahren Sie hier.
Ariane Müller
Ariane Müller 28 Nov. 2023
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Was es zur Erdwärmesonde zu wissen gibt

Was ist eine Erdwärmesonde?

Bei einer Erdwärmesonde, auch nur Erdsonde genannt, handelt es sich um ein Rohrsystem (meist aus Polyethylen, seltener aus Edelstahl), das zum Zweck der Wärmeübertragung tief in den Erdboden eingelassen wird.

Funktion

Meist dient eine Erdsonde dazu, die im Erdreich gespeicherte Wärme (Geothermie) nach oben zu befördern, um sie einer Erdwärmepumpe zur Verfügung zu stellen. Diese nutzt sie dann, um das Heizwasser auf die benötige Vorlauftemperatur zu bringen. Erdsonden können aber auch zum Speisen von Kalten Nahwärmenetzen verwendet werden.

Wärmepumpe mit Erdwärmesonde

Eine Erdsonde entzieht dem Erdreich Wärmeenergie und transportiert diese zur Wärmepumpe, welche sie zur Bereitstellung von Heizwärme nutzt. | Abbildung: © Förderung der Erdwärmepumpe

Des Weiteren lassen sie sich dafür einsetzen, Wärme vom Haus ins Erdreich zu transportieren. So kann zum einen eine Klimatisierung von Gebäuden erreicht werden: Die Erdsonden führen die Wärme aus Innenräumen ab und sorgen anschließend mit ihrer abgekühlten Sole für eine weitere Temperatursenkung.

Zum anderen ermöglichen sie auch die saisonale Speicherung überschüssiger Wärme. Diese kann von einer Solarthermie-Anlage stammen oder in Form von industrieller Abwärme vorliegen. In dem Fall kommt den Erdsonden eine Doppelfunktion zu: Sie bringen die Wärme in den Erdboden ein und entnehmen sie später auch wieder aus diesem.

Wärmeträgermedium

Damit dies möglich ist, zirkuliert in ihnen ein Kältemittel als Wärmeträgermedium. In der Regel handelt es sich dabei um eine technisch hergestellte Sole (Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Glykol) bzw. Salzlösung), die per Umwälzpumpe durch die Sonde gepumpt wird. Sie entzieht dem Erdreich die dort gespeicherte Wärmeenergie und liefert sie am Wärmetauscher der Wärmepumpe ab. Wieder abgekühlt, durchläuft sie den Kreislauf anschließend erneut.

Es kann jedoch auch Kohlendioxid als Wärmeträger verwendet werden (z. B. in wasserwirtschaftlich sensiblen Regionen), welches bei Wärmeaufnahme verdampft, dann aufsteigt und nach Wärmeabgabe wieder hinabfließt. In dem Fall fungiert die aus Stahl gefertigte Erdsonde als Wärmerohr (Zwei-Phasen-Thermosiphon) – kann also bei kleinem Querschnitt große Wärmemengen übertragen.

Auch ein Betrieb mit reinem (destillierten) Wasser ist möglich. Da dann aber 30 % tiefer gebohrt werden muss, eignet es sich nur für sehr große Anlagen. Hinzukommt, dass zunächst durch teure Messungen und eine spezielle Anpassung dafür gesorgt werden muss, dass das Wasser auch ohne Frostschutzmittel nicht gefriert.

Arten von Erdsonden

Erdwärmesonden existieren in zwei Ausführungen:

  • U-Sonde: Diese besteht aus zwei parallel laufenden Rohren, die am unteren Ende durch ein u-förmiges Fußteil miteinander verbunden sind. Am häufigsten kommen Doppel-U-Sonden zum Einsatz, bei denen gleich zwei Rohrpaare in ein Bohrloch gesteckt werden. Der Grund hierfür ist, dass die Bündelung von Rohren für eine größere wärmeübertragende Oberfläche sorgt.
  • Koaxial-Sonde: Bei einer koaxialen Sonde befinden sich Vor- und Rücklauf des Wärmeträgers im selben Rohr – einer im Innenrohr, einer im Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr. Dadurch lässt sich der Bohrungsquerschnitt optimal ausnutzen. Allerdings beeinflussen die erwärmte und die abgekühlte Sole dann die Temperatur der jeweils anderen. Gemindert werden kann dies durch eine Isolierung des Innenrohrs.

Daneben gibt es auch Erdwärmesonden, deren Grundlage flexible Schläuche bilden. Und im Falle einer geplanten Pfahlgründung können sie auch als sogenannte Energiepfähle realisiert werden. Dafür betoniert man die Rohre direkt in die Gründungspfähle ein.

Warum es die Erdwärmesonde in die Tiefe zieht und wie sie dort hingelangt

Gemeinhin sind für die Installation von Erdsonden Tiefenbohrungen erforderlich. Denn die oberen Erdschichten sind noch den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen unterworfen. Erst ab ungefähr 15 Metern in der Tiefe stehen konstant um die 10 °Celsius zur Verfügung. Ab rund 50 Metern erhöht sich die Temperatur etwa alle 30 Meter um 1 °C.

Damit die Sole sich ausreichend erwärmen kann, brauchen die Sonden also eine gewisse Länge. Im Durchschnitt reichen sie 70 Meter ins Erdreich hinein. Um eine Erdwärmesonde in diese Tiefe zu bringen, muss eine Fachfirma per mobiler Bohranlage zunächst ein Loch in entsprechender Bohrtiefe herstellen. Meist handelt es sich um eine Vertikalbohrung. Wenn dafür jedoch der Platz nicht ausreicht, kann sie auch schräg erfolgen. Da dafür aber Spezialmaschinen benötigt werden, sind dann die Kosten höher.

Nachdem die Sonde in das Bohrloch eingebracht wurde, wird der Rest davon mit einem wärmeleitenden Material ausgefüllt. Dieses verschafft der Erdsonde auch die nötige Stabilität und verhindert, dass im Falle einer Beschädigung Sole in den Boden gelangt.

Erdsonde Tiefenbohrung Bohrloch

Bei Verwendung von Doppel-U-Sonden kommen mehrere Erdwärmesonden in ein Bohrloch. | Foto: © photo 5000 / Adobe Stock

Weitere Arbeiten, die vor deren Inbetriebnahme erfolgen müssen, sind zwei Durchfluss- und Druckprüfungen, der Anschluss an den Verteiler und die Befüllung mit dem Wärmeträgermedium. Außerdem muss der Bohrschlamm fachgerecht entsorgt werden. Denn er kann u. a. Schwefelwasserstoff enthalten.

Erdsonden erfordern umfangreiche Planung

Es ist jedoch nicht nur die Tiefenbohrung, die mit einigem Aufwand verbunden ist. Schon im Vorfeld sind einige Schritte nötig:

Einholen von Genehmigungen

Tiefbohrungen dürfen nicht überall durchgeführt werden. So müssen Sie in jedem Fall das örtliche Bauamt sowie die Untere Wasserbehörde über Ihre Pläne in Kenntnis setzen und deren Zustimmung abwarten. Denn das deutsche Wasserhaushaltsgesetz (WHG) schreibt vor, dass Bohrarbeiten, von denen das Grundwasser betroffen ist, anzeigepflichtig sind. Sollte sich herausstellen, dass Sie in einem Wasserschutzgebiet wohnen, wird Ihnen für die Einbringung einer Erdwärmesonde keine Genehmigung erteilt werden. Soll die Bohrung mehr als 100 Meter in die Tiefe gehen, benötigen Sie außerdem die Erlaubnis des Bergbauamts.

Ausschlusskriterien für eine Erdsonden-Bohrung

Noch weitere Faktoren verhindern eine Tiefenbohrung:

  • Grundwasserstockwerksbau
  • Grundwasser stark mineralisiert o. mit Kohlendioxid-Einschlüssen
  • poröser Untergrund
  • artesische Verhältnisse
  • (benachbarte) Bergbaugebiete

Geologisches Gutachten

Ob auf Ihrem Grundstück gebohrt werden kann, hängt auch von der dortigen Bodenbeschaffenheit ab. Um diese besser einschätzen zu können, wird häufig eine Probebohrung durchgeführt. Die Bestimmung der Erdschichten gibt zum einen Aufschluss über die Bohrfähigkeit des entsprechenden Standorts. Ist das Erdreich zu wasserhaltig, besitzt einen hohen Lehmanteil oder enthält viele Steine, sind dies weniger ideale Voraussetzungen für das Einbringen von Erdwärmesonden.

Zum anderen erfahren Sie auf diesem Weg auch, wie viel Wärmeenergie diese an der jeweiligen Stelle entnehmen könnten. Denn die einzelnen Erdarten verfügen über unterschiedliche Wärmeaufnahmekapazitäten. Und auch deren Sättigung spielt eine Rolle. So ist feuchte Erde ergiebiger als trockene

BodenartWärmeleitfähigkeit
Torf0,2–0,7 W/(mK)
Sand0,3–0,8 W/(mK)
Kies, Steine0,4–0,5 W/(mK)
Ton, Lehm, Kreide0,4–1,0 W/(mK)
Tonstein1,1–3,5 W/(mK)
Sandstein1,3–5,1 W/(mK)
Mergel1,5–3,5 W/(mK)

Die durchschnittliche Entzugsleistung (Wärmemenge, die die Erdsonde dem Boden pro Sekunde entziehen kann) beträgt 50 Watt je Meter. Dabei spielt auch der Zeitraum, in dem dem Boden Energie entzogen werden soll, eine Rolle. Muss er übers Jahr für 2.400 Heizstunden herhalten, kann er sich nämlich nicht so gut regenerieren wie, wenn es nur 1.800 Heizstunden sind.

Zusammensetzung des Erdreichs entscheidet über Länge der Erdwärmesonde

Wie viel Wärmeenergie eine Erdsonde dem Boden entziehen kann, hängt von den enthaltenen Erdarten und deren Sättigung ab. | Foto: © Stramyk Igor / Adobe Stock

Ermittlung von Bohrtiefe und Länge der Erdwärmesonde

Im nächsten Schritt brauchen Sie dann noch Ihren Wärmebedarf. Dieser hängt von verschiedenen Faktoren ab – wie der Wärmedämmung, den zu erwartenden Außentemperaturen und gewünschten Raumtemperaturen sowie, ob die Sole-Wasser-Wärmepumpe als Alleinheizung fungieren soll oder von weiteren Wärmeerzeugern unterstützt wird. Schließlich muss die Erdwärmesonde dem Boden genug Energie entziehen können, um den Stromverbrauch Ihrer Wärmepumpe möglichst gering zu halten.

Kennen Sie sowohl die Entzugsleistung Ihres Erdbodens als auch Ihren Wärmebedarf, können Sie die benötigte Erdsonden-Länge ermitteln: So kommen Sie bei einem Wärmebedarf von 6 kW, also 6.000 W, und einer Entzugsleistung von 50 W/m auf eine Sondenlänge von 120 m.

Anzahl und Abstand

Da Sie in Deutschland eher selten für private Erdwärmesonden, die 100 Meter überschreiten, eine Bohrgenehmigung erhalten (in der Schweiz sind auch 300 Meter durchaus üblich), bräuchten Sie in dem Fall zwei Sonden. Diese können sowohl gleich als auch unterschiedlich lang sein. Bei einem Mehrfamilienhaus sind auch schonmal mehr als 10 Erdsonden erforderlich.

Diese müssen dann allerdings in ausreichendem Abstand zueinander angelegt werden. Denn, wenn nicht mindestens 6 Meter (noch besser: 10 Meter) zwischen ihnen liegen, entziehen sie zusammen dem Erdreich mehr Wärme als dieses zu regenerieren in der Lage ist. Vereisungen und eine Funktionsausfall Ihres Heizsystems können dann die Folge sein. 

Allgemein ist die Wahrung von gewissen Abständen von enormer Wichtigkeit bei der Installation von Erdwärmesonden. So darf diese auch nicht zu nahe am Gebäude stattfinden, um dessen Standfestigkeit nicht zu gefährden. Mindestens 2 Meter (noch besser: 3 Meter) sollte die Entfernung hier betragen. Zwischen Erdsonden und Grundstücksgrenze sollten mindestens 3 Meter (noch besser: 5 Meter) liegen. Und zu anderen Versorgungsleitungen sollte der Abstand mindestens 70 Zentimeter betragen. Ist dies nicht möglich, müssen Sie diese mit einer Isolierung versehen.

Was Erdwärmesonden kosten

All diese Analysen und Berechnungen sowie die schweres Gerät erfordernden Bohrungen haben natürlich auch ihren Preis. So ist es die Installation der Erdsonden, die einer Sole-Wasser-Wärmepumpe so hohe Kosten beschert. Denn mit 70–100 Euro je Bohrmeter (abhängig von der Bodenbeschaffenheit und damit verbundenen Bohrrisiken), schlägt diese mit durchschnittlich 7.000–10.000 Euro zu Buche. Darin mit eingerechnet sind dann aber sowohl die Anschaffung der Erdwärmesonden, als auch die Kosten für Genehmigungen und Gutachten sowie für alle die Bohrung betreffenden Arbeiten (inkl. geologischer Überwachung und Entsorgung des Bohrschlamms).

Da es sich bei Wärmepumpen jedoch um eine umweltschonende Heiztechnik handelt, werden deren Anschaffung und die damit verbundenen Aufwendungen staatlich unterstützt. So erhalten Sie im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) eine Erstattung von bis zu 40 % bei Kauf und Einbau einer Sole-Wasser-Wärmepumpe. Dafür gelten jedoch folgende Voraussetzungen:

Diese Versicherung kostet Sie circa 1,30 Euro je Bohrmeter. Einige Anbieter verlangen jedoch auch einen Mindestbetrag von 200 Euro. Ist die Erdwärmesonde erst einmal eingebaut, verursacht sie kaum noch Kosten. Die einzige Wartung, die sie benötigt, ist die regelmäßige Überprüfung der Sole sowie deren Austausch, sofern erforderlich. Dafür können Sie 150–200 Euro ansetzen.

Die anfänglichen Ausgaben gleicht die Erdsonde dadurch aus, dass sie der Wärmepumpe kostenlose Umweltenergie liefert – und zwar über einen langen Zeitraum. So haben Erdwärmesonden eine Lebensdauer von bis zu 100 Jahren. Oft haben sich die Investitionskosten schon nach einem Zehntel davon amortisiert.

Fazit: Bei Erdwärmesonden kann sich der Aufwand auszahlen

Der Aufwand des Einbaus kann sich bei Erdsonden also durchaus lohnen. So haben sie zwar einige Nachteile:

  • hohe Installationskosten
  • hoher Installationsaufwand
  • genehmigungspflichtig
  • geologisches Gutachten (oft inklusive Probebohrung) erforderlich
  • gewisser Platzbedarf zum Einhalten aller Abstände und Durchführen der Bohrungen
  • nicht überall möglich (z. B. aufgrund von Wasserschutzgebiet o. ungünstiger Bodenbeschaffenheit)

Erdwärmesonden bringen jedoch auch etliche Vorteile mit sich:

  • Erdwärme ist eine ganzjährig verfügbare Wärmequelle
  • deren Nutzung verursacht keine CO2-Emissionen
  • sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen und zur Wärmespeicherung nutzbar
  • im Betrieb leiser und billiger als eine Luft-Wärmepumpe
  • nahezu wartungsfrei
  • lange Lebensdauer von 100 Jahren
  • geringerer Platzbedarf als Flächenkollektoren 

In jedem Fall bedarf es einer genauen Analyse der Gegebenheiten vor Ort, bevor eine Entscheidung über die Installation von Erdsonden getroffen werden kann. Ein erster Anhaltspunkt, ob Ihr Grundstück dafür in Frage käme, sind die von den Bundesländern veröffentlichten Geothermie-Leitfäden. Diese enthalten neben Karten zu Schutzgebieten und Bodenarten auch Informationen zu regionalspezifischen Anforderungen.

Wenn auf den ersten Blick nichts gegen die Nutzung von Erdwärmesonden spricht, sollten Sie sich im nächsten Schritt mit einem auf diese spezialisierten Fachbetrieb in Verbindung setzen. Dieser hilft Ihnen bei der weiteren Planung, wie dem Einholen der Genehmigungen, sowie dem Durchführen der Bohrmaßnahmen.

FAQ

Gibt es Alternativen zur Erdwärmesonde?
Sollte deren Installation nicht möglich oder Ihnen schlicht zu aufwändig sein, stehen noch weitere Optionen zur Wärmegewinnung zur Verfügung: * Flächenkollektoren: Auch sie dienen Sole-Wasser-Wärmepumpen als Lieferant von Erdwärme. Diese beziehen sie allerdings nur aus 1,5 Meter Tiefe. Ihre Installation ist somit mit weniger Aufwand und Kosten verbunden, und bedarf auch keiner Genehmigung. Dafür können sie so nah an der Erdoberfläche nicht ganz so viel Energie gewinnen. Hinzukommt, dass sie horizontal verlegt werden und somit eine größere Fläche erfordern. Diese darf anschließend nicht mehr bebaut oder mit Bäumen und anderen Tiefwurzlern bepflanzt werden. * Grundwasser-Wärmepumpe: Hat durch das ganzjährig warme Grundwasser sogar eine noch höhere Effizienz. Allerdings sind für dessen Brunnen ebenfalls Bohrungen erforderlich. * Luft-Wärmepumpe: Erfordert keine Bohrungen und ist somit mit nur wenig Aufwand und viel geringeren Kosten verbunden. Dafür sind ihre Wärmegewinne geringer und aufgrund schwankender Lufttemperaturen auch nicht konstant. * Solarthermie-Anlage: Das durch Sonnenenergie erwärmte Wasser reicht zwar nicht, um Ihren gesamten Wärmebedarf zu decken. Dafür kann Solarthermie die Hauptheizung entlasten und ihr im Sommer durch Übernahme der Warmwasserbereitung ganz die Arbeit abnehmen.
Kann es bei der Tiefenbohrung zu Problemen kommen?
Wird diese von einem fachkundigen Unternehmen geplant und durchgeführt, sind Schadensfälle eher selten. Ganz ausschließen lassen sich diese aber nie. Daher sollten Sie vorher eine Versicherung abschließen, die Sie vor Folgekosten bewahrt, wenn es während der Bohrung zu Erdstößen und dergleichen kommt.
Ariane Müller
Ariane Müller
Ariane Müller ist Fachredakteurin für Heiztechnik und erneuerbare Energien.
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