Thermische Nutzung
Das Grundwasser kann über Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen genutzt werden und damit eine ökologische Alternative zu konventionellen Heizsystemen darstellen.
Welche Wärmequellen gibt es?
Die Wärmepumpe nutzt natürliche Wärmequellen aus dem Erdreich und dem Grundwasser. Durch Verdampfen und Kondensieren wird diese Energie für Heizzwecke in Gebäuden nutzbar gemacht.
Folgende Wärmequellen können genutzt werden:
Erdwärmekollektoren
sind in geringer Tiefe (mindestens 20 cm unter Frostgrenze) im Erdboden verlegte "Heizschlangen".
Diese Anlagen sind außer in Wasserschutzgebieten genehmigungsfrei und benötigen keine behördliche Erlaubnis. Überschlagsmäßig ist bei diesem System, je nach Bodenbeschaffenheit, eine Entzugsleistung von 10-35 W pro m² zu rechnen.
Erdwärmesonden
sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. In der Regel werden die Bohrungen im Stadtgebiet bis max. 70 Meter ausgeführt deren Genehmigung des Wasserwirtschaftsamtes bedarf. Bei den Bohrungen dürfen keine unterschiedlichen Grundwasserstockwerke durchbohrt werden. Ggf. werden mehrere Bohrungen niedergebracht. Bohrungen bzw. geothermische Nutzungen über Erdwärmesonden werden in Trinkwasserschutzgebiete in der Regel wasserrechtlich nicht bewilligt.
Überschlagsmäßig ist bei diesem System eine Entzugsleistung von 50 W pro Bohrmeter anzugeben.
Grundwasser
wird aus einem Brunnen entnommen und in einen so genannten Schluckbrunnen dem Grundwasser wieder zurückgeführt. Hierbei darf lediglich das oberste Grundwasserstockwerk erschlossen werden. Eine Grundwasserbenutzung in Trinkwasserschutzgebiete wird in der Regel wasserrechtlich nicht bewilligt.
Überschlagsmäßig ist bei diesem System ein Wasserbedarf von 200l/h pro kW Heizleistung zu rechnen.
Luft
wird direkt aus der Umgebung bzw. in Verbindung mit Erdwärmeüberträger genutzt.
Die örtlichen Gegebenheiten (Bodenverhältnisse, Geologie, Hydrogeologie) sind nicht überall gleich. Die mögliche Entzugsleistung sollte daher durch ein Fachunternehmen oder Planungsbüro festgestellt werden.
Hydrogeologische Eignung im Stadtgebiet
Aufgrund der guten geologischen Situation südlich der Donau werden ca. 70 % der Anlagen als Grundwasserwärmepumpen konzipiert. Im Norden wird das Grundwasser nur vereinzelt in den Bereichen mit ausreichender Mächtigkeit des Grundwasserkörpers mit guter Durchlässigkeit genutzt.
Eine Grundwasserwärmepumpe empfiehlt sich immer dort, wo ein geeignetes oberflächennahes Grundwasservorkommen vorhanden ist. Die Nutzung des oberflächennahen Grundwassers (bis ca. 8 m Tiefe) als Wärmequelle ist aus energetischer Sicht am besten geeignet. Zwischen 8 und 12 °C stehen der Wärmepumpe ständig als Quellen-Vorlauftemperatur zur Verfügung.
Das nachfolgende Kartenbild gibt einen Überblick über geologische und wasserwirtschaftliche Einschränkungen bei der Grundwassernutzung für Wärmepumpen.
Grundwasservorkommen
Nicht überall im Stadtgebiet steht das Grundwasser in ausreichender Menge zur Verfügung. Nur im südlichen Stadtgebiet stellen die gut durchlässigen Kiese und Sande des Donauschotters in der Regel einen sehr guten Grundwasserleiter dar. Die Grundwassermächtigkeiten (Stärke der wasserführenden Kies- und Sandschichten) liegen hierbei oftmals zwischen 3 und 8 m. Die Grundwassermächtigkeiten sind über das INKB-Kartenportal einsehbar.
Größere Einschränkungen gibt es im Bereich der Hochterrasse des nördlichen Stadtgebietes, wo die oberflächennahen Kiese zwar grundwasserführend sind, aber die wassergefüllte Mächtigkeit stellenweise zu gering ist, um eine Wärmepumpe mit der notwendigen Wassermenge zu betreiben.
Fließrichtung
Zu beachten sind ferner die Fließrichtung und die Temperatur des Grundwassers.
Für eine Grundwasserwärmepumpe müssen 2 Brunnen angelegt werden (ein Entnahme- und ein Schluckbrunnen), die zur Vermeidung eines thermischen Kurzschlusses im Untergrund in ausreichendem Abstand zueinander in Grundwasserfließrichtung liegen müssen. Zu beachten sind besonders die im nördlichen Stadtbereich z. T. sehr unterschiedlich verlaufenden Grundwasserfließrichtungen. Diese können Sie im INKB-Kartenportal nachschauen.
Temperatur
Die Grundwassertemperatur ist neben einer ausreichender Menge und Qualität des Grundwassers eine wichtige Voraussetzung für den effektiven Betrieb einer Grundwasserwärmepumpe. Seitens der Hersteller wird für die meisten Grundwasserwärmepumpen eine Mindesttemperatur des Grundwassers von rd. 8°C – 10°C vorgegeben.
Die Grundwassertemperaturen unterliegen hierbei größeren Schwankungen und werden u. a. durch Lufttemperatur, Besiedelungsstrukturen, unterirdische Bauwerke (Abwasserkanalnetz, Fernheizleitungen) und Grundwasserflurabstände unterschiedlich stark beeinflusst.
Im Rahmen ihres Grundwassermonitoring unterhalten wir seit 2006 ein Messstellennetz mit über 32 digitalen Datenloggern welche täglich die Grundwassertemperaturen im oberflächennahen Grundwasser in einem Tiefenbereich von 4 - 7 m unter Gelände dokumentieren.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Temperaturunterschiede in unterschiedlichen Besiedelungsstrukturen in Ingolstadt. Die Grundwassertemperaturen schwanken zwischen ca. 7 – 16°C.
| Flurabstand (bei MW) | Minimumtemperatur | Maximumtemperatur | |
|---|---|---|---|
| Ländliche Siedlungsdichte mit geringen Flurabständen | 1,5 m | 6 - 7 °C | 13 °C |
| Mittlere Siedlungsdichte | 3,0 m | 10 °C | 14,5 °C |
| Hohe Siedlungsdichte | 5,0 m | 9,5 °C | 16 °C |
| Industrie-Ansiedlung | 4,0 m | 7 - 11 °C | 14,5 °C |
Die Temperaturangaben beziehen auf den Beobachtungszeitraum 4/2006 bis 12/2008. Aufgrund des kälteren Winterhalbjahres 2005/2006 können die minimalen Grundwassertemperaturen noch unter den angegeben Werten liegen.
Temperaturmessungen in den dichter bebauten Siedlungsbereichen zeigen, dass die Durchschnittstemperatur zum Teil um mehr als 2,5 °C gegenüber dem dünner besiedelten Umland erhöht ist. In den südlichen Stadtteilen (Ober- Unterbrunnenreuth, Unsernherrn, Niederfeld) ist zu berücksichtigen, dass sic aufgrund der geringen Grundwasserflurabstände von nur 1 - 2 m reduzierte Grundwassertemperaturen von bis zu 7 °C oder darunter ergeben können.
Je nach Verlauf der winterlichen Lufttemperatur werden die minimalen Grundwassertemperaturen i. d. R. in den Frühjahrsmonaten zwischen März und Mai erreicht. Die höchsten Grundwassertemperaturen treten im Allgemeinen im Spätsommer von September bis Oktober auf. Mit zunehmender Besiedlungsdichte ist generell von einer weiteren Zunahme der Grundwassertemperaturen auszugehen.
Voraussetzungen für Erdwärmesonden
Erdwärmesonden sind senkrechte Bohrungen, in die häufig Doppel-U-Rohre aus HDPE-Kunststoff installiert werden. Diese sind mit einem Wärmeträgermedium gefüllt, zumeist Wasser mit einem Frostschutzmittel, welche die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und sie an die Oberfläche zur Wärmepumpe transportiert.
Erdwärmesonden werden in Ingolstadt in den meisten Fällen mit einer Tiefe von 40 bis 70 m gebohrt. Nördlich der Linie Friedrichshofen – Mailing werden die Horizonte des Juragesteines und somit der öffentlichen Wasserversorgung erreicht. Zum Schutz der trinkwasserführenden Schichten, ist für die thermische Nutzung des Untergrundes eine behördliche Genehmigung beim Umweltamt der Stadt Ingolstadt einzuholen. Die Festlegung der maximal möglichen Bohrtiefe wird durch das Wasserwirtschaftsamt im Rahmen der Begutachtung vorgenommen. Erdwärmesonden innerhalb der Wasserschutzgebiete sind in Ingolstadt aufgrund der geringen Karstüberdeckung nicht möglich.
Grundwasserbeschaffenheit
Je nach Grundwasserbeschaffenheit kann es beim Betrieb einer Grundwasserwärmepumpe zu Einschränkungen kommen. So besteht z. B. bei sauerstoffreduzierten Wässern mit hohen Eisen- und / oder Mangangehalten die Gefahr der Brunnenverockerung, bei aggressiven Wässern die Gefahr der Anlagenkorrosion.
Im Rahmen eines Grundwassermonitorings haben wir 2006 an 12 ausgewählten Grundwassermessstellen die wichtigsten Parameter speziell für den Einsatz von Grundwasserwärmepumpen prüfen lassen. Die Messwerte einer einmaligen Stichtagsbeprobung sind nur als Anhaltswerte zu verstehen und können bei kleinräumiger Betrachtung von den tatsächlichen Verhältnissen abweichen.
Bei größeren Anlagen sollte zur Beurteilung der Grundwasserqualität in jedem Fall eine Analyse auf alle Haupt- Wasserinhaltsstoffe und allgemeinen Parameter durchgeführt werden.
Detailanfragen zur Grundwasserbeschaffenheit können Sie an unser Trinkwasserlabor richten.
Behördliche Genehmigungen
Durch den Wärmeentzug werden der Boden und das Grundwasser abgekühlt bzw. erwärmt, wodurch sich die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Wassers verändern können. Diese Veränderungen der Grundwasserqualität stellen eine Gewässerbenutzung nach § 3 Abs. 1 Nr. 5 und 6 des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) dar. Gewässerbenutzungen bedürfen daher einer behördlichen Erlaubnis.
Bei thermischer Nutzung bis einschließlich 50 kJ/s ist ein Antrag auf Erteilung einer beschränkten Erlaubnis im vereinfachten Verfahren gemäß Art. 17a Abs. 1 Nr. 1 Bayerisches Wassergesetz (BayWG) zu stellen. Dieser Antrag ist bei der Wasserrechtsbehörde im Umweltamt der Stadt Ingolstadt einzureichen.
Die Genehmigung setzt die Beteiligung eines Privaten Sachverständigen der Wasserwirtschaft voraus. Eine Liste der Sachverständigen finden Sie in einem Dokument beim Bayerischen Landesamt für Umwelt.