Heizungs-ABC: Was ist Umweltwärme?

Geht es um regeneratives Heizen, fällt häufig der Begriff Umweltwärme. Doch was ist Umweltwärme? Wie kommt die Wärme in die Umwelt und wie lässt sie sich von dort zurückgewinnen, um schließlich zum Heizen genutzt zu werden? Wo speichert die Umwelt überall Wärme? Welche Vor- und Nachteile bringt Umweltwärme? Diese und andere Fragen rund um Umweltwärme soll dieser Artikel beantworten.

Was ist Umweltwärme?

Deutet man den Begriff Umweltwärme, geht es um die Wärme der Umwelt oder Wärme in der Umwelt. Bei Wärme handelt es sich um eine Form von Energie: thermische Energie. Es geht also um Wärmeenergie in der Umwelt. Als Umwelt werden der Raum, die Umgebung, die Natur betrachtet, die uns Menschen umgeben und mit denen wir in Wechselwirkung stehen und treten.

Welche Vorteile bringt es, Umweltwärme zum Heizen zu nutzen?

Der erste große Vorteil von Umweltwärme ist: Sie ist regenerativ, also erneuerbar. Man macht sich damit unabhängig von anderen, teils fossilen Energieträgern. Der zweite große Vorteil ist der: Umweltwärme steht kostenlos zur Verfügung.

Ihr spart euch also die Kosten für die Energie zum Heizen zur Warmwasserbereitstellung, wie es in Küche und Bad verbaucht wird (Brauchwasser), und zur Heizwassererwärmung. Allerdings muss man die Energie mit Hilfe technischer Anlagen aus der Umwelt gewinnen und gegebenenfalls umwandeln, um sie zum Heizen einzusetzen. Und diese Wärmeanlagen kosten Geld.

Wo ist der Unterschied: Umweltwärme vs. Solarwärme (Solarthermie)?

Mit Umweltwärme ist in der Umwelt gespeicherte Wärme gemeint. Mit Solarthermie meint man einerseits die Energie, die die Sonne in Form von Wärme ausstrahlt, und andererseits die Technologie, um diese nutzbar zu machen. Solarwärme ist demnach noch nirgendwo in der Umwelt gespeichert, sondern direkte Strahlungswärme. Sobald sie von Erdreich, Wasser und Luft gespeichert wird, ist es Umweltwärme.

Wie kommt die Umweltwärme in die Umwelt?

Die Umweltwärme gelangt aus verschiedenen Quellen in die Umwelt.

Die Sonne als wichtigster Wärmespender

Die Hauptquelle thermischer Energie in unserer Umwelt ist die Sonne. Sie strahlt etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) Energie (Licht und Wärme) auf jeden Quadratmeter Deutschlands. Dabei erwärmt sie die obere Schicht der Erde, also den Boden und das Wasser, das sich dort jeweils befindet, sowohl oberirdisch als auch unterirdisch. Eine Solarthermie-Anlage zum Beispiel sammelt die auftreffende Sonnenergie direkt ein und wandelt sie in nutzbare Wärme zur Warmwasserbereitstellung und Heizung um.

Bedenkt man, dass die Sonne auch:

• ursächlich hinter Wind (Windenergie) steckt,
• die treibende Kraft hinter Wasserbewegung (Wasserkraft) ist und
• Pflanzen über Photosynthese Sonnenenergie chemisch binden und speichern (Stichwort: Biomasse wie Holzpellets als Brennstoff zur Wärmeerzeugung),

wird klar, warum die Sonne als unsere Hauptenergiequelle gilt.

Die Erdwärme (Erdkernenergie)

Eine andere Wärmequelle bildet der heiße Kern der Erde. Hier wird vermutet, dass auch heute, rund vier Milliarden Jahre nach Entstehung der Erde, noch fast die Hälfte der im Erdinneren bestehenden Wärme Restwärme der Erdentstehung sei. Die andere Hälfte der Erdwärme stamme demnach aus der Zeit, als die Erde noch glühend heiß und zähflüssig gewesen sei: Damals seien schwere Elemente nach unten in Richtung ihres Mittelpunkts gesunken, die neben Eisen und Nickel auch radioaktive Elemente wie Uran enthielten. Radioaktive Stoffe gelten als instabil, sie zerfallen mit der Zeit in Spaltprodukte. Neben radioaktiver Strahlung würde dabei auch Wärme freigesetzt und eine Kettenreaktion ausgelöst, die noch andauere.

Energiequellen im Vergleich: Sonne vs. Erdinneres

Dass die Sonne unsere Hauptenergiequelle ist, belegt auch dieser Vergleich: Die Sonne strahlt mit durchschnittlich etwa 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m²) auf Deutschland. Aus dem Erdinneren kommt dagegen „nur“ ein Wärmefluss von 0,07 W/ m² an die Oberfläche, weil die Erdkruste mit ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit die hohen Temperaturen (flüssiges Magma) nicht besser weiterleitet. Hier besteht also ein großer Unterschied bei der Umweltwärme pro Fläche, die von innen und von außen von der Sonne zu uns kommt.

Damit ist auch klar, dass die Erdwärme dicht unter der Oberfläche nahezu komplett von der Sonne stammt.

Wo ist Umweltwärme zu finden?

Dem Vorgeschriebenen zufolge steckt Umweltwärme also:

• im oberflächlichen Erdreich und dort befindlichen Grundwasser (gespeicherte Solarwärme und tief in der Erdkugel gespeicherte und neu entstehende Erdkernwärme)
• in der Luft (gespeicherte Solarwärme)
• in Gewässern (gespeicherte Solarwärme)

Der besonderen Rolle von Wasser als Wärmespeicher widmen wir ein extra Kapitel in unserem Heizungs-ABC – schaut mal rein!

Und von wo lässt sich Umweltwärme tatsächlich holen und nutzen?

Das allgegenwärtige Vorhandensein von Umweltwärme in Luft, Wasser und Erdreich bedeutet längst noch nicht, dass sie dort auch immer gewonnen werden kann, um sie nutzbar zu machen.

Solarwärme und Erdkernwärme aus dem Erdreich nutzen

Schauen wir als Erstes auf die Erdkernwärme: Mit dem Beitrag, den die Wärme im Inneren des Planeten zur Energieversorgung der darauf lebenden Menschen leisten könnte, hat sich der Solarenergie Förderverein Deutschland e.V. hier sehr ausführlich auf Grundlage eines Sachstandsberichts des Deutschen Bundestages auseinandergesetzt.

Demnach hätten die Isländer in Sachen Erdwärmenutzung die Nase vorn: Sie könnten mit der an die aus dem Inneren an die Oberfläche gelangenden Wärme (stichwort: Geysire) nicht nur ihren Wärmeenergiebedarf nahezu komplett decken, sondern auch energiefressende Industrie damit „befeuern“.

In Deutschland komme die Erdwärme nicht in dem profitablen Maße an die Oberfläche: Die Erdkruste sei hier bis zu 30 Kilometer dick und mit heutiger Technik noch nicht wirklich zu durchbohren, um die Wärme im großen Stil zu nutzen. Derzeit könne man bis etwa 7.000 Meter Tiefe entsprechende Bohrungen ausführen. Dennoch profitierten wir von der Wärme im tiefen Erdreich, die pro 100 Meter Tiefe um etwa 3 Grad Celsius (°C) zunehme. Drei Möglichkeiten zur Nutzung werden beschrieben:

1. Umweltwärme aus der oberen Erdschicht: In nur wenigen Metern betrage die Erdtemperatur das ganze Jahr hindurch etwa 10°C und sei damit zu niedrig zur direkten Verwendung als Heizwärme für Warmwasser und Räume. Es gibt dennoch Möglichkeiten der Nutzbarmachung dieser Umweltwärme: Mit Wärmepumpen, die ihrerseits Betriebsenergie (Elektrizität) verbrauchen, lässt sich die Wärme dem Erdreich entziehen. Als Kühlmittel in heißen Sommer eignet sich Wärme dieser Temperatur außerdem. Wer die Wärmepumpe mit Solarstrom (Photovoltaik) betreibt, ist hier ökologisch klar im Vorteil. Die Kosten für platzsparende, senkrechte Erdsonde-Bohrungen bis 100 Meter Tiefe liegen zwischen hohen 6.500 und 11.000 Euro. Wer ausreichend unversiegelte Fläche besitzt, kann die günstigeren Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen, deren Kollektoren vertikal in die Erde verlegt werden.
2. Umweltwärme aus mittlerer Tiefe: Ab etwa 1.000 Meter Tiefe sei das schon ganz anders, denn dort würden Temperaturen von 40°C und mehr herrschen. Das reiche für Warmwasser und Heizung – auch ohne den Einsatz von Wärmepumpen.
3. Umweltwärme aus tieferen Erdschichten: Bei etwa 3.000 Metern Tiefe lägen die Temperaturen bei etwa 100 °C – und damit so hoch, dass man damit auch elektrische Energie (Strom) erzeugen könnte.

Wie holt man die Erdwärme aus dem tiefen Erdreich?

In der Regel werden für ein sogenanntes geothermisches Kraftwerk mindestens zwei Bohrlöcher gesetzt, eins davon etwas schräger. So erzielt man in der Tiefe einen Abstand von mehreren 100 m. In das eine Loch pumpt man kaltes Wasser hinein und hinunter (sogenannte Injektionsbohrung) und aus dem/n anderen steigt heißes Wasser auf (sogenannte Produktionsbohrung). Damit dies gelänge, müsste das heiße Gestein zwischen den Bohrlöchern wasserdurchlässig sein. Wasserführende Schichten (sogenannte Aquifere) und Störungszonen seien das von Natur aus. Allerdings würden diese nur etwa fünf Prozent des technischen Potenzials ausmachen. Der Großteil des Gesteins sei dagegen kristallin (sogenannter Hot-Dry-Rock, kurz: HDR) und müsse zunächst für geothermische Verfahren zugänglich gemacht werden. Mit Hilfe druckvollen Wassers oder Sprengungen schaffe man Kanäle.

Laut dem oben verlinkten Bericht beherrsche man die geothermische Nutzung wasserführender Gesteinsschichten und Störungszonen, während die Nutzung der Hot-Dry-Rock-Gesteine noch am Anfang der technischen Entwicklung stünde.

Umweltwärme aus der Luft nutzen

Die in der Luft gespeicherte solar Umweltwärme lässt sich mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe gewinnen, die bis 0°C vergleichsweise effizient arbeitet. Dazu wird Luft über Kanäle angesaugt und die Wärme gesammelt.

Umweltwärme aus Wasser nutzen

Das in der Erdschicht vorhandene Grundwasser (versickerte Niederschläge oder von Gewässern ins Erdreich infiltriertes beziehungsweise migriertes Wasser) hat wie das es umgebende Erdreich Temperaturen zwischen 7 und 12 °C. Es lässt sich mit Wasser-Wasser-Wärmepumpen gewinnen und zum Beispiel direkt zum Kühlen (Free Cooling) oder zum Vorwärmen (Vorlaufanhebung) einsetzen.

Grafik: Doreen Brumme