Potenzialanalyse zur Nutzung von Erdwärmepumpen im Gebäudebestand - Oberflächennahe Geothermie im außerstädtischen Wohngebäudebestand

Beitrag in der BWK - Das Energie-Fachmagazin 7/8 2018

Veröffentlicht am 02.05.2019

Der fossile Energieverbrauch im Wärmesektor muss zur Erreichung der Klimaziele deutlich reduziert werden. Der Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte betrug in Deutschland im Jahr 2017 1.260 TWh, was so viel ist, wie die beiden Sektoren Strom und Verkehr zusammen /UBA‑02 18/. Dabei dominieren der Prozesswärmebedarf in der Industrie und der Raumwärmebedarf in privaten Haushalten /BMWI‑07 17/. Zur Reduktion des fossilen Energieverbrauchs im Wärmesektor können Maßnahmen wie die energetische Sanierung von Gebäuden und die Nutzung erneuerbarer Energien eingesetzt werden. In dieser Studie wird die zweitgenannte Maßnahme mit dem Fokus auf die oberflächennahe Geothermie untersucht. Es erfolgt eine deutschlandweite gebäudescharfe Potenzialanalyse für die Nutzung von Erdwärmepumpen im Gebäudebestand mit Hilfe von GIS-Analysen und Fernerkundung. Dabei werden räumlich hoch aufgelöste Geodaten unter Berücksichtigung von technischen und rechtlichen Rahmenbedingungen der Technologie verwendet.

Wärmepumpen - Wachsender Bestand auf sehr geringem Niveau

Der gesamte Bestand an elektrischen Heizungswärmepumpen (ohne Trinkwarmwasser-wärmepumpen) hat sich von rund 100.000 im Jahr 2004 auf über 600.000 im Jahr 2014 versechsfacht (vgl. Abbildung 1). Dieses deutliche Wachstum ist v. a. auf Anlagen zurückzuführen, welche Luft- und Erdwärme als Wärmequelle nutzen. Dabei dominiert in den letzten Jahren die Luftwärmepumpe. Bei einem Vergleich mit dem gesamten Bestand an Heizsystemen zeigt sich, dass lediglich 3 % der rund 22 Millionen Heizsysteme im Jahr 2015 auf Wärmepumpen entfallen. Der Großteil der Heizsysteme wird hingegen mit Gas (60 %) bzw. Öl (27 %) befeuert /WS‑01 18/.

Fokus auf Erdwärmepumpen

Erdwärmepumpen weisen im Vergleich zu Luftwärmepumpen aufgrund der höheren Quelltemperatur im Winter eine höhere Effizienz auf. Die durchschnittliche Jahresarbeitszahl von Erdwärmepumpen liegt je nach Gebäudecharakteristik bei 3,0 bzw. 4,0 und damit deutlich über der von Luftwärmepumpen, welche bei 2,6 bzw. 3,1 liegt /ISE‑03 10/ /ISE‑07 14/. Neben der Quelltemperatur ist die Effizienz von Wärmepumpen auch von der für die Raumwärmebereitstellung benötigten Vorlauftemperatur abhängig. Grundsätzlich gilt dabei: Je höher die Quelltemperatur und je geringer die notwendige Vorlauftemperatur, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Die Vorlauftemperatur bestimmt sich aus der Fläche des Raumwärmeüberträgers – welche von Radiatoren über Konvektoren hin zu Flächenheizungen (Fußboden- oder Wandheizung) zunimmt – in Relation zur benötigten Wärmemenge. Als Indikator für die Vorlauftemperatur wird oftmals die Art des Wärmeüberträgers verwendet. Während der Anteil von Gebäuden mit Flächenheizung und einem Baujahr vor 1978 sehr gering ist, sind im Jahr 2004 bereits 64 % mit Flächenheizungen ausgestattet /IWU‑01 10/. Die höhere Effizienz der Erdwärmepumpe geht im Vergleich zur Luftwärmepumpe mit deutlichen Mehrkosten in der Anschaffung einher. Diese können sich im Laufe der Nutzungsdauer amortisieren und langfristig zu geringeren Wärmegestehungskosten führen /WS‑01 18/.

 

Abbildung 1

Abbildung 1: Entwickung der Anzahl an elektrischen Wärmepumpen (ohne Trinkwarmwasser-Wärmepumpen) von 1990 bis 2014, eigene Darstellung nach BMWI-20 15

Einsatzmöglichkeiten von Erdwärmepumpen – Rahmenbedingungen der Potenzialanalyse

Erdgekoppelte Heizungssysteme benötigen zum einen ausreichend freie Grundstücksfläche für die Einbringung von Erdwärmesonden oder -kollektoren. Für die Auslegung werden für Erdwärmekollektoren 50 – 70 kWh/(m²*a) bzw. für Erdwärmesonden 100-150 kWh/(m*a) Entzugsarbeit veranschlagt /STMUG‑01 05/. Im Gegensatz zu Mehrfamilien- und Reihenhäusern verfügen Ein- und Zweifamilienhäusern sowie Doppelhäuser aufgrund der lockeren Bebauung i. d. R. über genügend Freifläche zur Erdwärmenutzung. In der Analyse wird angenommen, dass diese Freiflächen für die Installation der Technologie genutzt werden können. Zum anderen begünstigen eine Flächenheizung und ein hoher Dämmstandard die Effizienz des Systems, was vermehrt auf neuere Gebäude zutrifft. Neben diesen technischen Faktoren müssen auch regulatorische und wirtschaftliche Faktoren berücksichtigt werden. So sind erdgekoppelte Wärmepumpen in Heilquellen- und Wasserschutzgebieten (Zonen: I, II) verboten bzw. in den Zonen III/IIIA/IIIB nur unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen /AMA‑01 08/. Daher werden alle Wasserschutzgebiete als Ausschlusskriterium behandelt. Aus volkswirtschaftlicher Sicht ist die Installation von dezentralen erdgekoppelten Wärmepumpen in Gebieten mit Nahwärme nicht sinnvoll.

Diese Rahmenbedingungen werden in der deutschlandweiten Flächenpotenzialanalyse berücksichtigt. Dabei werden Geodaten und Fernerkundungsdaten genutzt, um die beheizte Wohnfläche zu identifizieren, welche:

  • in die Gebäudekategorie Ein- und Zweifamilienhäuser sowie Doppelhaushälften fallen,
  • in dem Zeitraum 2006 bis 2012 auf unversiegeltem Boden errichtet worden sind,
  • nicht in Wasserschutzgebieten und
  • nicht in Nahwärmepotenzialgebieten liegen.

Die Randbedingung des unversiegelten Bodens und des betrachteten Zeitraums sind auf die technischen Möglichkeiten der Umsetzung des Modells und der verfügbaren Daten zurückzuführen, wie in folgendem Kapitel beschrieben wird. Der Mehrwert zu rein statistischen Analysen ist die detaillierte Betrachtung einzelner Gebäude und deren standortabhängigem Raumwärmebedarf sowie dem Einbezug der räumlichen Verteilung von Wasserschutzgebieten und Nahwärmepotenzialen.

GIS-Analyse - Identifikation von Wohngebäuden in den Jahren 2006 bis 2012

Die Modellierung basiert auf OpenStreetMap-Daten (OSM-Daten) und hochaufgelösten Fernerkundungsdaten, sodass kleinräumige Analysen deutschlandweit Anwendung finden. Aus den OSM-Daten werden Gebäude, die in die Kategorie der Wohngebäude fallen, deutschlandweit extrahiert. Mit einem speziellen Algorithmus zur Identifikation von Gebäudetypen werden Ein- und Zweifamilienhäuser sowie Doppelhäuser ausgewiesen. Als weitere Eingangsdaten werden hochaufgelöste (20 x 20 m) Versiegelungsdatensätze des Copernicus Programms von 2006 und 2012 /EEA‑02 07/ herangezogen. Durch das Differenzbild der beiden Jahre ist die Veränderung der Versiegelung zu erkennen. Bei einer Verschneidung mit den Häusern aus dem ersten Modellschritt können solche detektiert werden, die in diesem Zeitraum auf unversiegeltem Boden gebaut worden sind. Eine Identifikation von Häusern in bereits versiegelten Regionen, wie Nachverdichtungen, ist durch diese Analyse nicht möglich.

Insgesamt werden 400.000 Wohnhäuser in Deutschland in den entsprechenden Häuserkategorien erfasst. Die Verteilung der Grundfläche der potenziellen Wohngebäude – welche als beheizte Bruttogrundfläche im Erdgeschoss interpretiert wird – ist in Abbildung 2 als Boxplot dargestellt. Der türkise Bereich in dem 50 % der Werte enthalten sind, schwankt zwischen 90 und 130 m². Der Median bewegt sich im Bereich von 110 und 120 m² und ergibt im Vergleich mit /DESTATIS‑106 17/ ein plausibles Ergebnis. Zur weiteren Validierung werden die Daten des Zensus 2011 /BLSD‑04 13/ auf Gemeindeebene herangezogen. Dort werden rund 700.000 neu errichtete Wohnhäuser in den entsprechenden Kategorien und dem Zeitraum ausgewiesen. Diese Zahl umfasst Neubaugebiete und Nachverdichtung, weshalb diese Zahl für jede Gemeinde größer sein sollte, als das Ergebnis der GIS-Analyse. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 3 aufgetragen. Die Annahme trifft für 87 % der Gebäude zu, die in dem Diagramm mit negativen Werten gekennzeichnet sind.

Abbildung 2

Abbildung 2: Verteilung der beheizten Bruttogrundfläche in den einzelnen Bundesländern

Abbildung 3

Abbildung 3: Validierung der potenziellen Wohnhäuser auf den Zensusdaten auf Basis der Gemeinde (2 % der Häuser sind im positiven Bereich zur besseren Darstellung abgeschnitten)

Ausschlussgebiete für erdgekoppelte Wärmepumpen

Die regulatorischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen werden im nächsten Schritt einbezogen. Erdgekoppelte Wärmepumpen dürfen nicht in Heilquell- und Wasserschutzgebieten installiert werden /AMA‑01 08/, weshalb durch räumliche Verschneidungen detektierte Wohngebäude in solchen Gebieten /BFG‑01 13/ eliminiert werden Dadurch wird die betrachtete Häuseranzahl um 16 % verringert. Da die Installation dezentraler Wärmepumpen in Nahwärmegebieten aus volkswirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll ist, werden die flächenscharfen Nahwärmepotenzialregionen ebenfalls für eine Reduktion des potenziellen Wohngebäudebestandes verwendet. Die flächenscharfen Nahwärmepotenzialregionen /FFE‑21 17/ haben den Schwellwert von 400 MWh/(a*ha) und ein zusammenhängendes Potenzial von über 4.000 MWh/a. Durch diese Verschneidung werden weitere 9 % der Häuser aus der Betrachtung entfernt, sodass 304.000 Wohnhäuser, die zwischen 2006 und 2012 auf unversiegeltem Boden errichtet wurden, für Erdwärmepumpen zur Verfügung stehen. Die Anzahl der Wohnhäuser aufgeschlüsselt nach den zwei Randbedingungen, die zu einer Reduktion des Datensatzes führen, ist pro Bundesland in der Abbildung 4 visualisiert. Absolut ist die Anzahl in Baden-Württemberg und in Nordrhein-Westfalen am höchsten, wobei in diesen Bundesländern ein Viertel und mehr aufgrund der Lage in Wasserschutz- und Nahwärmepotenzialgebieten ausgeschlossen werden. Dahingegen wurde in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Rheinland-Pfalz nur ein geringer Anteil in Ausschlussgebieten errichtet. Auffallend ist der hohe Anteil der Häuser in den Nahwärmegebietsregionen in Berlin und Hessen.

Abbildung 4

Abbildung 4: Identifizierte Wohngebäude nach Eignungskriterien

Wärmebedarf in Ein-, Zweifamilienhäusern und Doppelhäusern

Zur Bestimmung des Einsparpotenzials durch den Einsatz von Erdwärmepumpen wird zunächst der Wärmebedarf der potenziellen Häuser berechnet. Die Hausgrundflächen werden mit einem typischen, spezifischen Verbrauchswert der Gebäudekategorie kombiniert und in Abhängigkeit der Gradtagzahl skaliert. Dafür wird der spezifische Endenergieverbrauch für Raumwärme und Trinkwarmwasser je Gebäudetyp und Baualtersklasse der Studie /UBA‑14 17/ entnommen. Da diese Werte auf Verbrauchsausweisen basieren, beziehen sich die Flächen auf die Gebäudenutzfläche. Demnach müssen die in der Potenzialanalyse ermittelten Flächen in die Gebäudenutzfläche umgerechnet werden. Die identifizierten Polygone werden als beheizte Bruttogrundfläche im Erdgeschoss interpretiert, da Nebengebäude wie Garagen bereits separiert sind. Durch die Multiplikation mit einem Faktor (vgl. /FFE‑04 12/), welcher die typische Stockwerksanzahl je Gemeinde und Gebäudekategorie repräsentiert, kann die gesamte beheizte Bruttogrundfläche ausgewiesen werden. Die darin enthaltenen Konstruktionsflächen können mit einem Anteil von 16 % /KALU‑01 11/ angesetzt werden, wodurch sich die  beheizte Nettogrundfläche ergibt. Um daraus die Wohnfläche zu berechnen, ist diese in Anlehnung an /IWU‑04 12/ um 10 % zu reduzieren. Nach /ENEV‑01 09/ kann für die Gebäudenutzfläche das 1,2-fache der Wohnfläche angenommen werden. Auf diese Weise ist eine Bestimmung des Wärmebedarfs der entsprechenden Gebäude auf Basis der identifizierten Flächen möglich. Für die betrachteten Gebäude ergibt sich ein Wärmebedarf von 9,5 TWh. Die regionale Verteilung ist in MWh/km² in Abbildung 5 als Heatmap visualisiert. Die Kernbereiche der potenziellen Wohngebäude sind deutlich zu erkennen. Der Wärmebedarf in Baden-Württemberg, Saarland und im Süden von Rheinland-Pfalz ist unerwartet hoch, was auf die hohe Anzahl an identifizierten Wohngebäuden zurückzuführen ist. Gegebenenfalls ist dies eine Folge der Ungenauigkeit der Eingangsdaten. Eindeutig zu erkennen sind die wachsenden Städte um die Ballungsräume München und Berlin.

Abbildung 5

Abbildung 5: Wärmebedarf der potenziellen Wohngebäude

Potenzial zur Emissionsverminderung

Aufbauend auf der Wärmebedarfsermittlung mit Ortsbezug kann das Potenzial zur Verminderung von Treibhausgasemissionen ermittelt werden. Hierzu werden die Beheizungsstruktur der untersuchten Gebäude sowie die Emissionsfaktoren der eingesetzten Energieträger benötigt. Die Beheizungsstruktur in den untersuchten Gebäuden wurde /DESTATIS‑11 16/ entnommen. Demnach werden diese Wohneinheiten zu 62 % mit Gas, 19 % mit Umweltwärme, 8 % mit Öl, 8 % mit Biomasse und zu 3 % mit elektrischer Energie versorgt[1]. Bezüglich der anzusetzenden Emissionsfaktoren existieren unterschiedliche Ansätze und Methoden, welche sich v. a. hinsichtlich der Bilanzgrenze bzw. dem Emissionsfaktor von Strom unterscheiden. Diese Analyse basiert auf Ergebnissen von /WS‑01 18/, wobei ein für Heizsysteme typischer Betrachtungszeitraum von 20 Jahren (2017-2036) gewählt wurde. Je eingesetzter Kilowattstunde[2] werden CO2-äquivalente Emissionen in Höhe von 257 g für Erdgas, 0 g für Umweltwärme, 302 g für Heizöl, 37 g für Pellets und 419 g für Strom angesetzt. Der mittlere Emissionsfaktor für Strom im Betrachtungszeitraum 2017 bis 2036 berechnet sich aus einem historischen Wert (605 g nach /ECOINV‑01 14/) und einem zukünftigen, simulierten Wert für das Jahr 2030 (371 g bei 67 % Erneuerbaren Energien /FFE‑04 16/). Diese Vorgehensweise kann in /WS‑01 18/ (Abbildung 7-8) nachvollzogen werden. Anhand einem mittleren Anlagennutzungsgrad von 0,9 /IFHK‑01 04/ (für Gas, Öl und vereinfacht auch Biomasse) und Jahresarbeitszahlen von 3,1 für Luftwärmepumpen und 4,0 für Erdwärmepumpen /ISE‑07 14/ kann der Wärmebedarf aus der Potenzialanalyse in Emissionen des aktuellen Heizungsbestands innerhalb der nächsten 20 Jahre umgerechnet werden (vgl. Abbildung 6 linke Säule). Daraus ergibt sich ein jährliches Treibhausgasverminderungspotenzial von Erdwärmepumpen von 1,3 Millionen Tonnen CO2-äquivalenten Emissionen durch die Verdrängung von Elektrospeicherheizungen, Gas- und Ölkesseln.

Abbildung 6

Abbildung 6: Mittlere Treibhausgasemissionen pro Jahr für den Zeitraum von 2017 bis 2036 in Gebäuden der Potenzialanalyse und die mögliche Verminderung durch den Einsatz von Erdwärmepumpen

Fazit

Die GIS-Potenzialanalyse ermöglicht eine gebäudescharfe Abschätzung des Potenzials von oberflächennaher Geothermie im Wohngebäudebestand von 2006 bis 2012. Technische, regulatorische und wirtschaftliche Faktoren sind ausschlaggebend für die Randbedingungen der Analyse. Es werden neu errichtete Ein-und Zweifamilienhäuser sowie Doppelhaushälften in dem Zeitraum von 2006 bis 2012 in davor unversiegelten Regionen und außerhalb von Wasserschutzgebieten und Nahwärmepotenzialen identifiziert. Dies sind 304.000 Wohngebäude mit einem Wärmebedarf von 9,5 TWh. Durch den Austausch konventioneller Heizsysteme durch Erdwärmepumpen ist eine Emissionsreduktion von 1,3 Millionen Tonnen CO2-äquivalenten Emissionen möglich. Die Stärke dieser Analyse im Gegensatz zu statistischen Modellierungen ist der räumliche Bezug der Daten, wodurch flächenscharfe Wohngebiete als Potenzial außerhalb von Ausschlussgebieten identifiziert werden können. Für weitere Modellierungen ist die Ausweitung der Randbedingungen möglich, wie beispielsweise der Einbezug der Bodenbeschaffenheit. Des Weiteren sind räumlich aufgelöste Daten zur Beheizungsstruktur notwendig, um neben dem Wärmebedarf auch das Emissionsverminderungspotenzial regional aufgelöst ausweisen zu können.

 

Literaturverzeichnis:

AMA‑01 08   Amann, W. et al.: Leitfaden zur Nutzung der Erdwärme mit Erdwärmekollektoren, 2008
BFG‑01 13  Wasserschutzgebiete in Deutschland. Koblenz: Bundesanstalt für Gewässerkunde, 2013
DESTATIS-15 13 Zensusdatenbank des Zensus 2011: https://ergebnisse.zensus2011.de/; Wiesbaden: Statistische Ämter des Bundes und der Länder, 2013
BMWI‑20 15  Erneuerbare in Zahlen - Nationale und internationale Entwicklung im Jahr 2014 in: www.bmwi.de. Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, 2015
BMWI‑07 17  Energiedaten: Gesamtausgabe. Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, 2017
DESTATIS‑11 16 Bauen und Wohnen - Mikrozensus - Zusatzerhebung 2014 Bestand und Struktur der Wohneinheiten Wohnsituation der Haushalte in: Fachserie 5 Heft 1. Wiesbaden: Statistisches Bundesamt (Destatis), 2016 
DESTATIS‑106 17  Bautätigkeit und Wohnungen - Bestand an Wohnungen - 31. Dezember 2016. Wiesbaden: Statistisches Bundesamt (Destatis), 2017
ECOINV‑01 14  The ecoinvent database, Version 3.0 in: http://www.ecoinvent.org/. Zürich: Swiss Centre for Life Cycle Inventories, 2014
EEA‑02 07 Copernicus Programme: Imperviousness - Reference Data: https://land.copernicus.eu/pan-european/high-resolution-layers/imperviousness/status-maps/view; Copenhagen: European Environment Agency (EEA), 2017
ENEV‑01 09 Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung. Berlin: Bundesrepublik Deutschland, 2009
FFE‑04 12 Schmid, T.; Beer, M.; Corradini, R.: Energiemodell der Wohngebäude in: BWK Bd. 64 (2012) Nr. 1/2. Düsseldorf: Verein Deutscher Ingenieure (VDI), 2012
FFE‑04 16 Pellinger, C.; Schmid, T. et al.: Merit Order der Energiespeicherung im Jahr 2030 - Hauptbericht. München:  Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE), 2016
FFE‑21 17 Corradini, R.; Konetschny, C.; Schmid, T.: FREM - Ein regionalisiertes Energiesystemmodell in: et - Energiewirtschaftliche Tagesfragen Heft 1/2 2017. München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft, 2017
IFHK‑01 04 Wolff, D. et al.: Felduntersuchung: Betriebsverhalten von Heizungsanlagen mit Gas-Brennwertkesseln. Wolfenbüttel: Institut für Heizungs- und Klimatechnik (IfHK) der Fachhochschule Braunschweig Wolfenbüttel, 2004
ISE‑03 10 Russ, C. et al.: Feldmessung Wärmepumpen im Gebäudebestand. Freiburg: Fraunhofer - Institut für Solare Energiesysteme (ISE), 2010
ISE‑07 14 Günther, D.; Miara, M. et al.: WP Monitor - Feldmessung von Wärmepumpenanlagen. Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), 2014
IWU‑01 10 Loga, T.; Diefenbach, N. et al.: TABULA - Scientific Report Germany - Further Development of the German Residential Building Typology. Darmstadt: Institut Wohnen und Umwelt GmbH, 2012
KALU‑01 11 Kalusche, W.: Grundflächen und Planungskennwerte von Wohngebäuden. In: Innovationen im Baubetrieb: Wirtschaft - Technik - Recht. Festschrift für Universitätsprofessor Dr.-Ing. Udo Blecken zum 70. Geburtstag; Köln: Mike Gralla, Matthias Sundermeier, 2011
STMUG‑01 05 Töpfner, C.; Fritzer, T.: Oberflächennahe Geothermie - Heizen und Kühlen mit Energie aus dem Untergrund. Ein Überblick für Bauherren, Planer und Fachhandwerker in Bayern. München: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit (StMUG), 2005
UBA‑14 17 Kemmler, A. et al.: Datenbasis zur Bewertung von Energieeffizienzmaßnahmen in der Zeitreihe 2005 – 2014 - Endbericht. Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt für Mensch und Umwelt, 2017
UBA‑02 18 Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland unter Verwendung von Daten der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat). Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt, Fachgebiet I 2.5 - Energieversorgung und -daten, 2018
WS‑01 18 Corradini, R. et al.: Energierationalität im Eigenheim - Effiziente Energieversorgung von Wohngebäuden. Ludwigsburg: Wüstenrot Stiftung, 2018

 

[1] Anteile der Kategorien „ausschließlich beheizt mit“ und „überwiegend beheizt mit“; Solarwärme, Stein- und Braunkohle vernachlässigt, da in Summe weniger als 1 % dieser Wohneinheiten


[2] Heizwert

Um unsere Webseite für Sie optimal zu gestalten verwenden wir Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie der Verwendung von Cookies zu.
Weitere Informationen zu Cookies erhalten Sie in unserer Datenschutzerklärung.
Einverstanden