Erdkollektor

Unter Erdwärmekollektoren versteht man flache, oberflächennahe Erdwärmenutzungssysteme, die in Tiefen bis 5 m die "Erdwärme" nutzen. Das gilt auch für erdberührte Betonbauteile, die als Teil eines Bauwerks horizontal oder vertikal Energie entnehmen oder abgeben. Zur Regeneration des Erdspeichers können auch Sonnenkollektoren in das System mit eingebunden werden. Die einzelnen Sondenkreise der Erdwärmekollektoren haben meist eine Rohrlänge zwischen 100 m und 150 m. Der Wärmeentzug erfolgt generell unterhalb der Frostgrenze ab 1 m unter Geländeoberkante. Erdsonden entziehen die Wärme aus Tiefen von 60 – 100 m. Beide Systeme werden mit einer Kühlflüssigkeit (Mischungen aus Wasser und Alkoholen [Glykole]) betrieben. In der Regel sind diese Rohrsysteme mit einem Wasser-Frostschutzmittel(Glykol)-Gemisch (Sole)  gefüllt. Deshalb benötigen sie auch ein Ausdehnungsgefäß bzw. Ausgleichsbehälter.

Zur Regeneration des Erdspeichers können auch Sonnenkollektoren in das System mit eingebunden werden. Die einzelnen Sondenkreise der Erdwärmekollektoren haben eine Rohrlänge zwischen 100 m und 150 m. Der Wärmeentzug erfolgt generell unterhalb der Frostgrenze ab 1 m unter Geländeoberkante. Die Erdkollektoren können zum Heizen und Kühlen verwendet werden und sollten aus energetischen Gründen nicht überbaut werden. Die höchsten Entzugsleistungen haben sie beim Einbau in feuchtes wasserspeicherndes Erdreich bzw. in Erdschichten mit durchströmtem Grund- bzw. Niederschlagswasser. tiefenbedingt haben sie jedoch keinen direkten Kontakt zum Grundwasser. Geringe Entzugsleistungen zeigen sich durch die geringe Wärmeleitfähigkeit in trockenem (wasserfreien) Erdreich.

Beim Flächenkollektor wird der gesamte Oberboden bis auf die gewünschte Einbautiefe abgeschoben. Auf dem entsprechend vorbereiteten Untergrund werden ähnlich einer Fußbodenheizung PE-Rohr-Schlingen ausgelegt und befestigt. Die Rohrenden werden in einem Sammelschacht, getrennt als Vor- und Rücklaufleitungen mit speziellen Armaturen zusammengefasst. Danach werden die PE-Schlingen wieder mit Erdreich überdeckt.

Kompaktabsorber sind eine Variante des Flächenkollektors, diese bestehen aus vorgefertigten polymervernetzten Kapillarrohrmatten. Das System arbeitet nach dem Low-flow-Prinzip, also mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ein optimaler Wärmeentzug aus dem Erdreich gewährleistet werden soll. Im Vergleich zu den konventionellen Flächenkollektoren soll der Flächenbedarf für den Kompaktabsorber geringer sein.

Für den Grabenkollektor wird ein Graben mit schrägen Wänden ausgehoben, der bis über 3 m tief sein kann. An dessen Wandflächen werden PE-Rohre in einem Abstand von ca. 10 cm horizontal verlegt und befestigt. Danach wird der Graben wieder verfüllt. Eine optimale Anbindung der PE-Leitungen mit dem wiederverfüllten Erdreich erreicht man durch das Einschlämmen des Bodens mit Wasser. Eine neue Art von Grabenkollektor ist die senkrechte Variante, der in eine 3 m tief gefräste Rinne eingebaut wird. Hier setzt sich der Ringgrabenkollektor für die Nutzung von Erdwärme in Verbindung mit einer Wärmepumpe immer mehr durch.

Der Spiralkollektor ist für den flächigen und grabenförmigen Einbau geeignet. Der Unterschied liegt lediglich in der Form der Kollektorleitung. Die Leitungen verlaufen in horizontalen Spiralen. Dieser Verlauf wird erzielt, in dem die gewickelte Kollektorleitung senkrecht auf dem präparierten Untergrund aufsetzt und seitlich (senkrecht zur Wickelachse) die Spirale so auseinander zieht, dass sich die Windungen jeweils überlappen.

Erdwärmekörbe (Energiekorb) sind üblicherweise kegelförmig gewickelte Erdwärmesonden. Die Körbe haben eine Höhe zwischen ca. 1 und 3 m, der obere Durchmesser liegt bei ca. 2 m. Die Sondenlänge variiert je nach Korbgröße zwischen 100 und 300 m. Die Körbe können einzeln oder in gleichgroße Gruppen zusammengefasst werden. Für den Einbau der Körbe wird ein ausreichend dimensioniertes Loch ausgehoben, der Korb darin eingebracht und anschließend das Loch wieder verfüllt. Eine optimale Anbindung der PE-Leitungen mit dem wiederverfüllten Erdreich erreicht man durch das Einschlämmen des Bodens mit Wasser.

Eine andere Art von "Kollektor" ist die "Erdwärmesonde". Dieser Erdwärmeentzug fällt aber in den Bereich "Tiefengeothermie". Hier sind besondere Vorschriften zu beachten.

Die besondere Konstruktion z. B. der Terra-Umweltwärmesonde besteht darin, dass das von der Wärmepumpe entwärmte Medium nahezu ohne Wärmeaufnahme den Sondenfuß erreicht. Während die hydraulischen Querschnitte der auf- und absteigenden Rohrleitungen gleich sind, bieten die aufsteigenden Rohrleitungen zur Wärmeaufnahme ein etwa 2 ½ größere Oberfläche.

Das ermöglicht eine größere Wärmeaufnahme und dadurch kann bei gleicher Bohrtiefe (wie bei der handelsüblichen Doppel U Sonden) die Vor - und Rücklauftemperatur soweit angehoben werden, dass die Sonde im positiven Temperaturbereich gefahren werden kann.

Bei der Terra-Umweltwärmesonde verläuft die absteigende Flüssigkeit in einem isolierten zentralen Rohr. Die geothermische Wärme wird daher von den aufsteigenden Satellitenrohren auf der gesamten Sondenlänge aufgenommen.

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Erdwärmekollektoren ohne Kontakt zum Grundwasser und außerhalb von Wasserschutzgebieten werden als flache Erdaufschlüsse anzeigefrei errichtet. Materialauswahl und Herstellung unterliegen grundsätzlich den allgemein anerkannten Regeln der Technik. Der Bodeneingriff ist vergleichbar mit der Errichtung eines unterkellerten Gebäudes. Bei geringen Grundwasserflurabständen kann dies zu einem Eingriff ins Grundwasser führen, der anzeigepflichtig ist und eine wasserrechtliche Erlaubnis erfordert (§ 3 Abs. 1 Nr. 5 und Abs. 2 WHG).

Die unvorhergesehene Erschließung (unbefugt oder unbeabsichtigt) von Grundwasser hat der Unternehmer der Wasserbehörde unverzüglich anzuzeigen und die Arbeiten, die zur Erschließung geführt haben, einstweilen einzustellen. Die Wasserbehörde trifft die erforderlichen Anordnungen (§ 37 Abs. 4 WG und § 35 Abs. 2 WHG).

In Wasser- und Heilquellenschutzgebieten gilt die jeweilige Schutzgebietsverordnung. Geothermische Anlagen sind nach § 19 Abs. 2 WHG in Verbindung mit der jeweiligen Schutzgebietsverordnung in den Wasserschutzgebietszonen I und II und in wasserwirtschaftlichen Vorrangflächen.

In den Zonen III/ IIIA/ IIIB der Wasser- und Heilquellenschutzgebiete und in wasserwirtschaftlichen Vorbehaltsflächen können Erdwärmekollektoren unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen werden.
(Alle Angaben ohne Gewähr)

Diese Regelungen können in verschiedenen Bundesländern unterschiedlich sein.

Die Genehmigungserfordernisse zur Errichtung einer geothermischen Anlage unterscheiden zwischen oberflächennaher Geothermie und Tiefengeothermie. Vor bzw. bei der Planung der Nutzung von Erdwärme müssen auf jeden Fall die rechtlichen Vorgaben des Vorhabens beachtet werden.

• Baugenehmigung
• Wasserrechtliche Genehmigung
• Bergrechtliche Bewilligung

Baugenehmigung
Für die Verlegung von oberflächennahen Erdwärmekollektoren ist keine Genehmigung notwendig, aber eine Anzeige bei den Behörden ist zwingend erforderlich. Für den jeweiligen Einzelfall muss überprüft werden, ob eine Benutzung im wasserrechtlichen Sinne vorliegt. Informationen sind vom zuständigen Landrats- oder Wasserwirtschaftsamt einzuholen, welches gegebenenfalls eine wasserrechtliche Genehmigung erteilt.
Erdwärmesonden werden in der Regel bis zu einer Tiefe von 100 m eingebracht, teilweise auch bis in Tiefen von 250 Metern. Da die Bohrungen mehrere Bodenschichten, unter anderem auch die Grundwasserschicht, durchdringen, muss vor der Planung einer Erdwärmesonde die Bodenbeschaffenheit, Schichtenfolge des Bodens und die Grundwasserverhältnisse ermittelt werden. Ab einer Bohrtiefe von 100 Metern ist die Anlage gemäß Bundesberggesetz anzeigepflichtig und ein bergrechtliches Verfahren im Rahmen der Genehmigung durchzuführen. Für jede Bohrung besteht eine Anzeigepflicht bei der zuständigen Kreisverwaltungsbehörde. Aufgrund der Erschließung der Grundwasserschicht kann in speziellen Fällen auch ein wasserrechtliches Erlaubnisverfahren notwendig werden.
Für die Nutzung von Grundwasser sind die allgemeinen Voraussetzungen eine ausreichende Verfügbarkeit von Grundwasser in erreichbaren Tiefen und genügend Platz für einen hinreichenden Abstand der Brunnen (min. 20 m), um einen thermischen Kurzschluss zu vermeiden. Außerdem ist eine genaue Analyse des Grundwasservorkommens, der wasserführenden Schichten und der Wasserqualität notwendig, da die Brunnenalterung und die Korrosion einzelner Komponenten direkt mit dem Mineralgehalt und den chemischen Bestandteilen des Grundwassers zusammenhängen. Außerdem ist die Nutzung nicht überall erlaubt und erfordert in jedem Fall eine wasserrechtliche Erlaubnis, welche bei der zuständigen Kreisverwaltungsbehörde zu beantragen ist.

Wasserrechtliche Genehmigung
Bei der Errichtung von oberflächennahen Erdwärmekollektoren muss vorher geklärt werden, ob eine Gewässerbenutzung im Sinn des § 3 WHG vorliegt. In der Regel liegt bei diesen Anlagen keine Grundwasserförderung vor, also scheidet eine Gewässerbenutzung aus. Eine wasserrechtliche Genehmigung kann jedoch aufgrund eines Benutzungstatbestands gem. § 3 Abs. 2 Ziffer 2 WHG gegeben sein. Danach gelten als Benutzung auch Maßnahmen, die geeignet sind, schädliche Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Wassers herbeizuführen. Derartige Veränderungen können aber nur bei Bohrarbeiten im Rahmen der Errichtung der Anlage sowie beim Betrieb durch die mit dem Wärmeentzug verbundene Temperaturänderung des Grundwassers ergeben. Aber bei der Errichtung dieser Anlagen kann eine wasserrechtliche Genehmigung notwendig werden, weil gem. § 35 Abs. 1 WHG die Länder bei Erdaufschüben, die über eine bestimmte Tiefe in den Boden eindringen, zu bestimmen haben, dass die Arbeiten überwacht werden, soweit es die Ordnung des Wasserhaushaltes erfordert. Leider haben die Länder nicht geregelt, ab welcher Tiefe eine Überwachung erfolgen muss. Die Überwachung setzt dabei auch eine Anzeigepflicht voraus, die es den Behörden ermöglicht, die Wirkung der Arbeiten auf den Wasserhaushalt zu prüfen.
Bei der Tiefengeothermie greift in der Regel das Wasserhaushaltsgesetz, weil die Anlagen erwärmtes Wasser aus der Tiefe pumpen. Aber auch wenn ohne eine derartige Verfahrensweise die Erdwärme in erheblichem Umfang genutzt wird, wird regelmäßig ein Benutzungstatbestand im Sinne von § 3 Abs. 2 Ziffer 2 WHG gegeben sein, da eine entsprechende Temperaturveränderung des Grundwassers die Folge ist. Weiterhin können wasserrechtliche Anordnungen getroffen werden, wenn aus dem Bau der Anlage ein unbeabsichtigtes Erschließen des Grundwassers resultiert (§ 35 Abs. 2 WHG). In diesem Fall kann die Beseitigung der Erschließung angeordnet werden, wenn es die Rücksicht auf den Wasserhaushalt erfordert. Der § 35 Abs. 1 WHG findet im Rahmen der Tiefengeothermie grundsätzlich keine Anwendung, da insofern die regelmäßig einschlägigen Vorschriften des Bundesberggesetzes vorrangig sind.

Bergrechtliche Bewilligung
Für oberflächennahen Erdwärmekollektoren ist eine bergrechtliche Bewilligung nach § 4 Abs. 2 Nr. 1 BBergG nicht erforderlich. Das gilt, wenn die Anlage nur auf einem Grundstück betrieben und die gewonnene Energie auch nur auf diesem Grundstück genutzt wird.
Bei der Nutzung der Tiefengeothermie wird grundsätzlich eine bergrechtlichen Bewilligung (§ 8 BBerG) notwendig. Eine Ausnahme vom grundsätzlichen Bewilligungserfordernis gemäß § 4 Abs. 2 Ziffer 1 BBergG scheidet danach aus.

(Alle Angaben ohne Gewähr)