Erdwärmepumpe: Wie funktioniert das?

Erdwärmepumpen, auch Sole-Wasser-Wärmepumpen genannt, erschließen die im Erdreich gespeicherte Wärmeenergie und gehören zu den effizientesten Heizsystemen überhaupt. Anders als luftbasierte Systeme profitieren sie – ähnlich wie Grundwasser-Wärmepumpen – von konstanten Temperaturen im Untergrund, die ganzjährig zwischen acht und zwölf Grad Celsius liegen. Diese Stabilität ermöglicht hohe Jahresarbeitszahlen und reduziert Betriebskosten erheblich.

Wärmepumpen entziehen der Umgebung thermische Energie und heben diese auf ein höheres Temperaturniveau, um Gebäude zu beheizen. Im Gegensatz zu fossilen Heizsystemen verbrennen sie dabei keine Rohstoffe, sondern nutzen ausschließlich elektrische Energie, um Umweltwärme nutzbar zu machen. Das Funktionsprinzip basiert auf dem umgekehrten Kühlschrankprozess: Ein Kältemittel verdampft bei niedrigen Temperaturen, wird komprimiert und gibt die dabei entstehende Wärme über einen Wärmetauscher an das Heizsystem ab. Aus einer Kilowattstunde Strom lassen sich so typischerweise drei bis fünf Kilowattstunden Heizwärme gewinnen – allerdings hängt das stark vom jeweiligen System und dem dazugehörigen Gebäude ab.  

In Kombination mit regenerativ erzeugtem Strom erreichen Wärmepumpen eine sehr gute CO₂-Bilanz und gelten als zentraler Baustein für die Dekarbonisierung des Gebäudesektors. Die Installationszahlen in Deutschland haben dabei in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen, wobei vor allem 2023 als Rekordjahr hervorsticht. Gefördert durch staatliche Programme und getrieben durch steigende Energiepreise für Öl und Gas setzen also immer mehr Hausbesitzer auf diese Technologie. Die Effizienz von Wärmepumpensystemen hängt allerdings maßgeblich von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung ab, weshalb Erdwärmepumpen mit ihren konstanten Quelltemperaturen besonders vorteilhaft sein können. 

Das Herzstück jeder Wärmepumpe bildet ein geschlossener Kältemittelkreislauf, in dem ein spezielles Arbeitsmedium kontinuierlich zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand wechselt. Im Verdampfer entzieht das flüssige Kältemittel der Wärmequelle Energie und verdampft dabei. Ein elektrisch betriebener Kompressor verdichtet das gasförmige Medium, wodurch Druck und Temperatur stark ansteigen. Im Verflüssiger gibt das heiße Gas seine thermische Energie an das Heizungswasser ab und kondensiert wieder zu Flüssigkeit. Ein Expansionsventil senkt den Druck, sodass der Kreislauf von Neuem beginnen kann. 

Die Leistungsfähigkeit wird durch die sogenannte Jahresarbeitszahl bemessen, die das Verhältnis von bereitgestellter Heizwärme zu eingesetzter elektrischer Energie über ein ganzes Jahr beschreibt. Moderne Erdwärmepumpen erreichen laut Fraunhofer ISE Werte zwischen vier und fünf, was bedeutet, dass aus einer Kilowattstunde Strom vier bis fünf Kilowattstunden Heizwärme gewonnen werden. Entscheidend für die hohe Effizienz sind niedrige Vorlauftemperaturen im Heizsystem. Moderne Systeme setzen zunehmend auf natürliche Kältemittel wie Propan, die ein geringes Treibhauspotenzial aufweisen. 

Wärmepumpensysteme lassen sich nach der genutzten Wärmequelle klassifizieren. Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Außenluft thermische Energie und dominieren laut dem Bundesverband Wärmepumpe e.V. aufgrund ihrer unkomplizierten Installation den Markt, weisen jedoch bei tiefen Außentemperaturen niedrigere Wirkungsgrade auf. Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen Grundwasser als Wärmequelle und bieten hervorragende Effizienzwerte, erfordern jedoch genehmigungspflichtige Brunnenbohrungen. Luft-Luft-Wärmepumpen arbeiten ohne wassergeführtes Verteilsystem und eignen sich primär für hochgedämmte Passivhäuser mit sehr geringem Heizwärmebedarf. 

Erdwärmepumpen, fachlich korrekt als Sole-Wasser-Wärmepumpen bezeichnet, erschließen das konstante Temperaturniveau des Erdreichs. Die Bezeichnung „Sole" bezieht sich auf die frostsichere Wärmeträgerflüssigkeit, die zwischen Erdreich und Wärmepumpe zirkuliert. Diese Systeme erreichen hohe Jahresarbeitszahlen, da die Temperatur im Erdreich auch im Winter nahezu konstant bleibt. Die Erschließung erfolgt entweder über vertikale Erdsonden, die 50 bis 150 Meter tief reichen, oder über horizontal verlegte Flächenkollektoren in ein bis zwei Metern Tiefe. 

Erdwärmepumpen nutzen zwei grundlegende Erschließungsmethoden. Bei Erdsonden werden lange, vertikale Bohrungen durchgeführt, in denen u-förmige Rohrsysteme installiert werden. Eine Sole-Flüssigkeit aus Wasser und Frostschutzmittel zirkuliert in diesem geschlossenen Kreislauf. Die Sole nimmt im Erdreich Wärme auf und transportiert diese zur Wärmepumpe, wo sie im Verdampfer ihre Energie an das Kältemittel abgibt. Nach dem Wärmeentzug fließt die abgekühlte Sole zurück ins Erdreich.  

Flächenkollektoren bestehen hingegen aus horizontal verlegten Rohrsystemen in ein bis zwei Metern Tiefe. Diese Systeme benötigen etwa die anderthalbfache bis zweifache Fläche der zu beheizenden Wohnfläche und eignen sich für Grundstücke mit ausreichend Freifläche. Die Verlegetiefe liegt unterhalb der Frostgrenze, wo Temperaturen auch im Winter halbwegs konstant bleiben. Laut dem Baden-Württembergischen Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau nutzen Flächenkollektoren primär direkt oder indirekt im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie. Daher erreichen sie etwas geringere Effizienzwerte, zudem sollten die Erdkollektoren nicht überbaut werden. Beide Systeme arbeiten wartungsarm und haben eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. 

Der zentrale Vorteil liegt in der konstanten Wärmequellentemperatur. Während die Lufttemperaturen im Winter stark fallen, unterliegt das Erdreich in rund zwei Metern Tiefe bereits deutlich geringeren Schwankungen, die ab zehn Metern Tiefe komplett wegfallen. Diese Stabilität ermöglicht im Umkehrschluss eine durchgehend hohe Effizienz. Die Jahresarbeitszahlen liegen typischerweise zwischen 3,0 und 5,0, was Erdwärmepumpen zu den effizientesten Heizsystemen überhaupt macht. Die Betriebskosten fallen außerdem recht niedrig aus. Zudem arbeiten Erdwärmepumpen im Außenbereich sehr leise, da keine Außeneinheit mit Ventilatoren erforderlich ist. Im Sommer kann die niedrige Erdreichtemperatur ohne Kompressorbetrieb zusätzlich zur passiven Kühlung genutzt werden. 

Den Vorteilen stehen allerdings erhebliche Investitionskosten gegenüber, die primär durch die aufwendige Erderschließung entstehen. Tiefenbohrungen kosten je nach geologischen Verhältnissen zwischen 50 und 100 Euro pro Bohrmeter. Flächenkollektoren sind günstiger, benötigen jedoch große unversiegelte Grundstücksflächen. Tiefenbohrungen erfordern wasserrechtliche Genehmigungen, die in Wasserschutzgebieten versagt werden können. Die Genehmigungsverfahren dauern je nach Region über mehrere Wochen bis zu drei Monate. In manchen Gebieten sind Erdwärmebohrungen grundsätzlich untersagt. Die wirtschaftliche Amortisation dauert trotz hoher Effizienz aufgrund der Mehrkosten daher länger als bei Luft-Wasser-Wärmepumpen.

Erdwärmepumpen eignen sich besonders für Neubauprojekte, bei denen die Erdarbeiten parallel zur Baugrubenerstellung erfolgen können. Einfamilienhäuser mit ausreichender Grundstücksfläche stellen den klassischen Anwendungsfall dar. Auch mehrgeschossige Wohngebäude profitieren von der hohen Effizienz, wobei hier meist mehrere Erdsonden gebohrt werden. Die gleichzeitige Nutzung für Heizung und Kühlung macht Erdwärmepumpen für Bürogebäude interessant. Im Bestandsbau gestaltet sich die Nachrüstung aufwendiger, ist jedoch bei ausreichendem Grundstück durchaus realisierbar. 

Für Erdsonden ist, wie erwähnt, in der Regel eine wasserrechtliche Erlaubnis der unteren Wasserbehörde erforderlich, wofür entsprechende geologische Gutachten eingereicht werden müssen. Die Erschließung selbst erfolgt dann durch zertifizierte Bohrunternehmen. Erdsonden werden mit spezialisierten Bohrgeräten eingebracht, wobei die Bohrlöcher nach Installation mit Verpressmaterial verfüllt werden. Flächenkollektoren erfordern großflächige Erdarbeiten mit Baggern. Nach Abschluss erfolgt die hydraulische Einbindung, Druckprüfung und Inbetriebnahme durch qualifizierte Fachbetriebe. 

Bei der Installation einer Erdwärmepumpe sind die meisten Arbeiten zwingend Fachbetrieben vorbehalten. Tiefenbohrungen für Erdsonden erfordern spezialisierte Bohrgeräte und zertifizierte Bohrunternehmen, da wasserrechtliche Genehmigungen und geologische Fachkenntnisse erforderlich sind. Auch die hydraulische Einbindung der Wärmepumpe, die Elektroinstallation und die Inbetriebnahme müssen von qualifizierten Fachkräften durchgeführt werden, um Gewährleistungsansprüche und Förderfähigkeit nicht zu gefährden. Kältemitteltechnische Arbeiten dürfen ausschließlich durch nach der Chemikalien-Klimaschutzverordnung zertifizierte Kältetechniker erfolgen. Dennoch gibt es einzelne Tätigkeiten, bei denen eine Eigenleistung Kosten reduzieren kann. 

Bei Flächenkollektoren können versierte Heimwerker die Erdarbeiten in Eigenregie durchführen, sofern entsprechendes Gerät verfügbar ist. Das Ausheben der Gräben in vorgegebener Tiefe und Breite sowie das anschließende Verfüllen nach Verlegung der Kollektoren durch Fachbetriebe ist technisch einigermaßen unkompliziert. Auch vorbereitende Arbeiten wie das Anlegen von Kabelschächten zum Aufstellort der Wärmepumpe oder das Vorbereiten des Aufstellraums durch Malerarbeiten und Bodenbeläge können selbst übernommen werden. Die Verlegung der Sole-Rohrleitungen und deren Druckprüfung muss jedoch zwingend durch Fachpersonal erfolgen. Bei allen Eigenleistungen sollte die Abstimmung mit den ausführenden Fachbetrieben im Vorfeld erfolgen. 

Die Gesamtkosten setzen sich aus mehreren Komponenten zusammen. Die Wärmepumpe selbst kostet laut Grünes Haus zwischen 14.000 und 18.000 Euro. Erdsonden-Bohrungen schlagen mit 50 bis 100 Euro pro Meter zu Buche, bei typischen 100 bis 150 Metern also 5.000 bis 15.000 Euro. Hinzu kommen Kosten für Material und Anschlussarbeiten von etwa 2.000 bis 3.000 Euro. Flächenkollektoren verursachen Erdarbeitskosten von 3.000 bis 6.000 Euro plus Material. Die Gesamtinvestition liegt damit ungefähr zwischen 20.000 und 40.000 Euro, wobei diese Spanne je nach Projekt variieren kann. 

Die Betriebskosten fallen dafür deutlich niedriger aus: Bei einem durchschnittlichen Einfamilienhaus mit 150 Quadratmetern und Jahresheizwärmebedarf von 15.000 Kilowattstunden benötigt eine Erdwärmepumpe mit Jahresarbeitszahl 4,5 etwa 3.300 Kilowattstunden Strom jährlich. Bei 30 Cent pro Kilowattstunde im Wärmepumpen-Tarif ergeben sich Heizkosten von knapp 1.000 Euro. Eine vergleichbare Luft-Wasser-Wärmepumpe würde etwa 1.290 Euro kosten. Die jährliche Einsparung von etwa 300 Euro amortisiert die Mehrkosten nach 20 bis 30 Jahren. Staatliche Förderungen von bis zu 70 Prozent verkürzen die Amortisationszeit erheblich. 

Erdwärmepumpen werden im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude umfassend gefördert. Die Basisförderung beträgt 30 Prozent der förderfähigen Kosten, wobei diese nicht nur die Wärmepumpe selbst, sondern auch die Erderschließung durch Erdsonden oder Flächenkollektoren umfassen. Zusätzliche Boni können die Förderquote deutlich erhöhen: Der Geschwindigkeitsbonus von 20 Prozent gilt beim Austausch funktionsfähiger fossil betriebener Heizungen bis Ende 2028. Ein einkommensabhängiger Bonus von 30 Prozent steht Haushalten mit einem zu versteuernden Jahreseinkommen unter 40.000 Euro zu. Der Effizienzbonus von fünf Prozent wird für besonders effiziente Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln wie Propan gewährt. 

Maximal können 70 Prozent Förderung erreicht werden, wobei die förderfähigen Kosten bei 30.000 Euro gedeckelt sind. Die Antragstellung erfolgt vor Maßnahmenbeginn über das Programm 458 der Kreditanstalt für Wiederaufbau KfW. Alternativ können zinsgünstige KfW-Kredite mit Tilgungszuschüssen in Anspruch genommen werden. Regionale Förderprogramme einzelner Bundesländer oder Kommunen können zusätzliche Unterstützung bieten. Wichtig ist die Einbindung qualifizierter Fachunternehmen, da nur professionell geplante und installierte Anlagen förderfähig sind. Die energetische Fachplanung wird ebenfalls mit bis zu 50 Prozent gefördert. Detaillierte Informationen finden sich auf den Webseiten der zuständigen Behörden. 

Erdwärmepumpen stellen eine der effizientesten Formen der Wärmepumpentechnologie dar und erreichen Jahresarbeitszahlen, die vor allem Luft-Wasser-Systeme nicht bieten können. Die einigermaßen konstanten Erdreichtemperaturen gewährleisten ganzjährig optimale Betriebsbedingungen und vergleichsweise niedrige Energiekosten. Die hohen Investitionskosten durch aufwendige Erderschließung werden durch geringe Betriebskosten und die lange Lebensdauer kompensiert. Staatliche Förderungen verbessern die Wirtschaftlichkeit zudem deutlich. Für Neubauten auf ausreichend großen Grundstücken bieten Erdwärmepumpen also die zukunftssicherste Heizlösung mit Umweltwärme. 

In Kombination mit Photovoltaik kann der Eigenverbrauch des regenerativen Stroms optimiert werden, die passive Kühlfunktion gewinnt angesichts zunehmender Hitzeperioden zudem stärker an Bedeutung. Trotz höherer Anfangsinvestitionen bleiben Erdwärmepumpen langfristig die wirtschaftlichste Heizlösung für geeignete Standorte. Die Kombination aus höchster Effizienz, geringsten Betriebskosten und langer Lebensdauer macht sie zur ersten Wahl für nachhaltige Gebäudetemperierung. 

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