Erd- und Umweltwärme

Klimaschädliche Kältemittel

Abbildung 1: Umweltpolitische Meilensteine für den Einsatz von FCKW in Wärmepumpen und Kühlgeräten

Beim Einsatz klimaschädlicher Kältemittel kommt es zu unterwünschten Umwelteffekten. Derartige Substanzen werden in Kälteanlagen eingesetzt, aber auch in Wärmepumpen zur Nutzung der Erd- und Umweltwärme.Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich daher auf beide Anwendungsbereiche.

Kältemittel

Das Kältemittel zirkuliert in der Anlage (z.B. Wärmepumpe), wird verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt. Es übernimmt den Wärmetransport, indem es unterhalb der Umgebungstemperatur Wärme durch Verdampfen aufnimmt und oberhalb der Umgebungstemperatur durch Verflüssigen wieder abgibt. Die Wahl des richtigen Kältemittels hat wesentlichen Einfluss auf Wirkung, Konstruktionsaufwand und Energieverbrauch einer Kälteanlage.

Klimaschädlichkeit

Früher wurden vor allem Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW und HFCKW), auch als "chlorierte Kohlenwasserstoffe" bezeichnet, als Kühlmittel in Kühlaggregaten und Wärmepumpen verwendet. Diese Mittel tragen zur Zerstörung der Ozonschicht bei. In Deutschland wurden Produktion und Gebrauch ozonzerstörender Substanzen mit der FCKW-Halon-Verbots-Verordnung von 1991 stufenweise verboten. Das Verbot betrifft 13 Substanzen und sieht die schrittweise Einführung von weniger schädlichen Ersatzstoffen vor. Ab 1994 wurden auch teilhalogenierte H-FCKW wie R-22 und Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, z. B. R-134a = Tetrafluorethan), die ein wesentlich geringeres Ozonzerstörungspotenzial haben, in der Verwendung eingeschränkt. Seit 1995 sind in Deutschland für Neuanlagen nur noch Kältemittel ohne Ozonzerstörungspotenzial erlaubt. Die ozonschädlichen Stoffe wurden durch eine Vielzahl von fluorierten Kohlenwasserstoffen (FKW, HFKW) ersetzt. Diese lediglich mit Fluor halogenierten Kohlenwasserstoffe besitzen kein Ozonabbaupotential. Einige davon sind wegen ihrer im Vergleich zu CO₂ weitaus größeren Treibhauswirkung aber erheblich klimaschädigend. Gelangen beispielsweise 2 kg des Kältemittels FKW R404A in die Atmosphäre, entwickeln diese dort den gleichen Einfluss auf das Klima wie 6,5 t Kohlendioxid. Die synthetischen Ersatzkältemittel FKW und HFKW sind mittlerweile auch in die Kritik geraten.

Eingeschränkte Nutzung bzw. Verbot von F-Gasen

Die eingeschränkte Nutzung von F-Gasen wurde im Jahr 1997 international durch das Kyoto-Protokoll vereinbart und auf EU-Ebene durch die EG-Verordnung 842/2006 im Jahr 2007 umgesetzt, vgl. Abbildung 1. Darüber hinaus wurde 2009 die EG-Verordnung 1005/2009 beschlossen und trat 2010 in Kraft. Sie regelt "die Produktion, die Einfur, die Ausfuhr, das Inverkehrbringen, die Verwendung, die Rückgewinnung, das Recycling, die Aufarbeitung und die Zerstörung von ozonabbauenden Stoffen, die Übermittlung von Informationen über diese Stoffe sowie die Ein- und Ausfuhr, das Inverkehrbringen und die Verwendung von Produkten und Einrichtungen, die solche Stoffe enthalten oder benötigen" (Art. 1 EG-VO 1005/2009).

Auf nationaler Ebene wurde bereits 1991 eine "FCKW-Halon-Verbotsverordnung" beschlossen, die stufenweise in Kraft trat. 1995 folgte ein Verbot der Produktion und der Verwendung von FCKWs in Neuanlagen. Das Verbot erstreckte sich ab 2000 auf die Produktion und Verwendung von teilhalogenierten Substanzen (HFCKWs, z. B. R 22) in Neuanlagen. 2006 löste die Chemikalien-Ozonschichtverordnung (Verordnung über Stoffe, die die Ozonschicht schädigen) die FCKW-Halon-Verbotsverordnung ab. Zudem trat 2008 die Chemikalien-Klimaschutzverordnung (Verordnung zum Schutz des Klimas vor Veränderungen durch den Eintrag bestimmter fluorierter Treibhausgase), zur Verminderung der Emission fluorierter Kältemittel aus Kälteanlagen, in Kraft.

Einsatz von Ersatz-Kältemitteln bei Wärmepumpen

Welche Kältemittel eingesetzt werden, hängt davon ab, welche Außentemperaturen (Temperaturen der Umweltmedien, denen Wärme entzogen wird) vorherrschen und welche Kühltemperaturen erreicht werden sollen. Die wichtigsten Kältemittel für Wärmepumpen sind:

Propan, Propen, Butan

Nicht halogenierte (chlorierte oder fluorierte) Kohlenwasserstoffe wie Propan, Propen und Butan vermeiden die genannten Probleme: Sie sind weder ozonschädigend noch klimaschädlich und ebenfalls ungiftig. Dafür sind sie jedoch brennbar, und wenn sie in nennenswerten Konzentrationen in die Luft gelangen, besteht eine Explosionsgefahr.

R134a

Hauptsächlich eingesetzt wird R134a in Transport- und sonstigen gewerblichen Kälteanlagen sowie in Kühl- und Gefriergeräten für den Haushalt. Aber auch in Wärmepumpen kommt es zum Einsatz.

R407C

R407C wurde als Ersatzkältemittel für R22 in Klimaanlagen und Wärmepumpen entwickelt. Es setzt sich aus drei Komponenten mit sehr unterschiedlichen Siedetemperaturen bei gleichem Druck zusammen. Daraus resultiert ein hoher Temperaturgleit beim Phasenwechsel. In Wärmepumpenanlagen wirkt sich das bei konsequenter Anwendung des Gleiteffekts positiv aus.

R410A

Tabelle 1: Klimaschädlichkeit von Kältemitteln ([1])

R410A wird bevorzugt in Wärmepumpen- und Klimaanlagen im unteren Leistungsbereich verwendet. Die zwei Komponenten des Gemischs R410A verfügen über fast identische Siedetemperaturen. Besonders vorteilhaft sind jedoch die exzellenten Eigenschaften beim Wärmeübergang in Verdampfer und Verflüssiger. Bei einer optimal darauf abgestimmten Auslegung lässt sich eine sehr hohe Anlageneffizienz erzielen. Nachteilig ist das hohe Druckniveau (bei 0 °C ca. 7 bar, bei +43 °C bereits 25 bar Überdruck). Das erschwert u. a. die Durchführung von Reparaturen. Bei größeren Rohrquerschnitten ist zudem die Druckfestigkeit hartgelöteter Fittings nicht mehr gegeben. Die nebenstehende Tabelle zeigt beispielhaft, welche Kältemittel die Firma Viessmann in ihren Wärmepumpen verwendet.

Einsatz der Kältemittel

Nach Becken et al. (2012, 106) haben Hersteller etwa ab 1997/98 vermehrt begonnen, HFKW als sogenannte Sicherheitskältemittel einzusetzen. Zum Einsatz kommen die HFKW-Gemische (Blends) R 407C, R 410A, R 404A und R 417A sowie der Reinstoff R 134a. Letzterer wird oftmals in Brauchwasserwärmepumpen verwendet.

CO₂-Bilanz von Wärmepumpensystemen

Die CO₂-Bilanz von Wärmepumpesystemen wird nach wie vor kontrovers diskutiert. Inwieweit diese Bilanz positiv ausfällt, hängt davon ab, welches Umweltmedium (Luft, Wasser, Erdwärme) betrachtet wird, ob fossil oder regenerativ erzeugter Strom verwendet wird und welche Effizienzannahmen (z. B. Jahresarbeitszahlen) zugrunde gelegt werden. Zur Ermittlung der rechnerischen CO₂-Bilanz wurden diverse Expertengutachten erstellt, deren Ergebnisse im Rahmen des Forschungsvorhabens jedoch nicht weiter kommentiert werden.

Lärmemissionen von Wärmepumpen

Wärmepumpen können in Abhängigkeit von ihrer Leistung mittlere Geräuschemissionen von 55 bis 85 dB(A) hervorrufen. Diese unter Laborbedingungen ermittelten Werte können im ungünstigsten Fall aufstellungsabhängig sogar um bis zu 6 dB(A) höher liegen. Ein Problem stellen dabei die für diese Anlagen charakteristischen Geräuschemissionen im tieffrequenten Bereich dar, die oft als ‚Brummen’ wahrgenommen und als besonders störend empfunden werden. Weitere Belästigungen für Anwohner ergeben sich aus dem zeitlich uneingeschränkten Betrieb dieser Anlagen und aus dem abrupten Einschalten in den frühen Morgenstunden bei Wärmebedarf des Betreibers.

Immissionsschutzrechtliche Vorschriften

Wärmepumpen sind Anlagen im Sinne des § 3 Abs. 5 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG). Werden sie in Wohngebieten betrieben, unterliegen sie den Anforderungen nach § 22 BImSchG (Vermeidung, Beschränkung auf ein Mindestmaß), sind aber bei der Aufstellung in Wohngebieten aufgrund ihrer Art und Größe in der Regel immissionsschutzrechtlich nicht genehmigungsbedürftig. Die Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) regelt die Betreiberpflichten nach § 22 BImSchG. Die enthaltenen Immissionsrichtwerte betragen in allgemeinen Wohngebieten tagsüber 55 dB(A) und nachts 40 dB(A). Als Nachtzeit gilt die Zeit von 22.00 bis 06.00 Uhr, sie kann bis zu einer Stunde hinausgeschoben oder vorverlegt werden. Für die Beurteilung tieffrequenter Geräuschemissionen wird nach Nr. 7.3 der TA Lärm zusätzlich zur Einhaltung der Richtwerte auf die DIN 45680 zwecks Einzelfallprüfung verwiesen. Für die in Wohngebieten betriebenen Wärmepumpen ist - als nicht genehmigungsbedürftige Anlage - keine schalltechnische Prüfung und keine Abnahme bei Inbetriebnahme und Betrieb vorgeschrieben. Eine Überprüfung, ob die Anforderungen der TA Lärm eingehalten werden, wird daher nur im Einzelfall (auf Anfrage) von der örtlich zuständigen Immissionsschutzbehörde vorgenommen. Zur Einhaltung der in der TA Lärm genannten Werte kann die Immissionsschutzbehörde Geräuschminderungsmaßnahmen anordnen. Diese beziehen sich auf

• Organisatorische Maßnahmen im Betriebsablauf
• Zeitliche Beschränkungen des Betriebs, etwa zur Sicherung der Erholungsruhe am Abend und in der Nacht,
• Einhaltung ausreichender Schutzabstände zu benachbarten Wohnhäusern oder anderen schutzbedürftigen Einrichtungen,
• Ausnutzen natürlicher oder künstlicher Hindernisse zur Lärmminderung,
• Wahl des Aufstellungsortes von Maschinen und Anlagenteilen (Einhalten von Mindestentfernungen).

Zur frühzeitigen Beachtung dieser Vermeidungsansätze wurden zwischenzeitlich Leitfäden (BWP 2012; Fürst 2011) erarbeitet, die die bestehenden Möglichkeiten näher ausgeführen. Allein die Einhaltung der Anforderungen der TA Lärm werden von Anwohnern jedoch als nicht ausreichend empfunden, um den belastenden Umgebungslärm wirkungsvoll einzudämmen.

Beschränkungen für das Aufstellen von Luftwärmepumpen

Nach § 49 Abs. 1 BImSchG sind die Länder befugt, durch Rechtsverordnung vorzuschreiben, dass in näher zu bestimmenden Gebieten, die eines besonderen Schutzes vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch u. a. Geräusche bedürfen, bestimmte Anlagen nicht errichtet, nicht betrieben oder nur zu bestimmten Zeiten betrieben werden dürfen. Ferner können Gemeinden und Gemeindeverbände ortsrechtliche Vorschriften erlassen, die Regelungen zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch u. a. Geräusche zum Gegenstand haben. Bisher ist nicht bekannt, dass Länder oder Gemeinden derartige Regelungen zur Beschränkung der Aufstellung von Wärmepumpen getroffen hätten.

Produktbezogene Begrenzung der Geräuschemmissionen

Zur Umsetzung der sog. Ökodesign-Richtline 2009/125/EG wurde das Energieverbrauchsrelevante-Produkte-Gesetz (EVPG) verabschiedet. Danach dürfen energieverbrauchsrelevante Produkte nur in Verkehr gebracht werden, wenn sie den festgelegten Anforderungen an eine umweltgerechte Gestaltung entsprechen. Solche Anforderungen können sich auch auf die Geräuschemissionen eines Produktes beziehen. Durchführungsvorschriften sind u. a. für Heizkessel und Kombiboiler sowie Warmwasserbereiter in Vorbereitung, dazu zählen auch Luft-Wasser-Wärmepumpen. Auch für Klima- und Lüftungsgeräte gibt es erste Entwürfe, die Grenzwerte für die Lärmemission vorsehen. Bisher sind aber keine verbindlichen Durchführungsvorschriften mit produktbezogenen Grenzwerten verabschiedet oder in Kraft. Sie wären aber erforderlich um Belästigungen oder Störungen zu vermeiden oder zu vermindern, die mit den Immissionsrichtwerten der TA Lärm nicht mehr erfasst werden.

Eine Möglichkeit, strengere anspruchsvolle Geräuschanforderungen umzusetzen, besteht, wenn die Einhaltung bestimmter Grenzwerte eine Bedingung für die Förderung im Rahmen des Marktanreizprogramms darstellen. Voraussetzung hierfür ist, dass der Stand der Technik zur Begrenzung von Geräuschemissionen definiert wird und ein entsprechender politischer Wille zur Anpassung des MAP besteht.

Oberflächennahe Erdwärmenutzung (Erdwärmekollektoren und -sonden)

"Gunststandorte" für Erdwärmesonden: Beispiel Baden Württemberg

Abbildung 2: Günstige und ungünstige Standorte für Erdwärmesonden in Baden-Württemberg

In den Ländern wurden zur Unterstützung interessierter Anwender Informationssysteme entwickelt, die eine schnelle Information über die Möglichkeiten der Erdwärmenutzung vor Ort bieten sollen. Ein Beispiel ist das Informationssystem Oberflächennahe Geothermie für Baden-Württemberg (ISONG), das vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) im Regierungspräsidium Freiburg bereitgestellt wird. Das Informationssystem dient der Planung von Einzel-Erdwärmesonden bis max. 400 m Tiefe. In der kostenfreien Standardversion werden die für den Bauherren wichtigsten punkt- und flächenbezogenen Informationen bereitgestellt. Nebenstehend befindet sich ein Kartenausschnitt des südöstlichen Landesteils, in dem - in Abhängigkeit von der Bohrtiefe - günstige Gebiete sowie solche dargestellt sind, in denen die Untergrundverhältnisse für den Bau von Erdwärmesonden wegen bohrtechnischer Schwierigkeiten ungünstig sind. Bestehende Wasserschutzgebiete gelten als Ausschlussgebiete (schraffiert).

Auswirkungen von Erdwärmesonden auf Grundwasser und Boden

Bei der Nutzung von Erdwärmesonden besteht das Risiko, dass durch das "Anbohren" grundwasserleitender Schichten ("hydraulischer Kurzschluss") Schadstoffe in das Grundwasser gelangen können. Insbesondere bei Leckagen können Kühlmittel aus den Sonden austreten und das Grundwasser verschmutzen. Der Wärmeentzug in Boden oder Grundwasser ist gering, so dass nachteilige Veränderungen nicht zu erwarten sind. Potenzielle Risiken bestehen hinsichtlich der Beeinträchtigung der Grundwasserfauna und der „Kontaminierung“ von Grundwasserleitern z. B. mit Bakterien aus anderen Bodenschichten. Bei der Risikobeurteilung spielen diese Auswirkungen bisher keine Rolle. Umweltverbände wie der BUND Naturschutz weisen darauf hin, dass der Erhalt der Grundwasserqualität ein wichtiges Ziel ist, zumal das Ökosystem Grundwasser sehr sensibel auf veränderte Milieubedingungen reagiere und sich bei Störungen erheblich langsamer als oberirdische Ökosysteme regeneriere.

Auswirkungen von Erdwärmekollektoren auf Grundwasser und Boden

Der Einbau von oberflächennahen Erdwärmekollektoren führt zu Störungen des Bodengefüges. Dadurch veränderte Standorteigenschaften wirken sich indirekt auch auf die bestehende Vegetation aus. Gleiches gilt für Bodenverdichtung durch Baufahrzeuge. Da die genutzen Standorte im Siedlungsbereich in der Regel bereits „überprägt“ sind, bleiben die Auswirkungen meist gering.Der Wärmeentzug in Boden oder Grundwasser ist gering, so dass nachteilige Veränderungen nicht zu erwarten sind. In Gebieten mit hohen Grundwasserständen bestehen Risiken des Schadstoffeintrags in das Grundwasser durch Leckeagen oder unsachgemäßen Umgang.

Leitfäden und Arbeitshilfen der Länder zur Erdwärmenutzung

Die Bundesländer haben auf der Grundlage von der LAWA (2002) formulierten Anforderungen an Erdwärmepumpen Arbeitshilfen und Leitfäden für verschiedene Anlagentypen der Erdwärmenutzung erstellt. Kartendarstellungen von "Gunststandorten" sollen die Vorauswahl der in Frage kommenden Standorte und die Abschätzung des erwartbaren Wärmeertrags erleichtern. Da einige Anlagentypen (Erdwärmesonden, Grundwasser-Wärmepumpen) genehmigungspflichtig sind, wurden auch Leitfäden erstellt, die die Erstellung der erforderlichen Unterlagen zu erleichtern (Übersicht). 2011 gab die LAWA weitere Hinweise und Empfehlungen, mit denen die wasserwirtschaftlichen Anforderungen an den Bau und Betrieb von Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren vereinheitlicht wurden, heraus. Damit wurden administrative Hürden abgebaut, jedoch aus Sicht der Branche und der Anwender nicht ausreichend beseitigt. Die Nutzung von Erdwärme ist nach wie vor mit einem höheren Transaktionsaufwand verbunden als die Nutzung von Luftwärmepumpen, Solarkollektoren oder Pelletsheizukesseln.

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Quellen und weiterführende Hinweise

weiterführende Hinweise

• UBA 2008: Elektrische Wärmepumpen – eine erneuerbare Energie? Online unter: http://www.allespelleti.net/pdfs/Umweltbundesamt%20Waermepumpe%20eine%20Analyse.pdf (letzter Zugriff: 20.03.2014).
• Fraunhofer ISE 2010, S. 17 f. Online unter: http://www.wp-im-gebaeudebestand.de/download/WP_im_Gebaeudebestand_Kurzfassung.pdf (letzter Zugriff: 20.03.2014). Auch bei Bine (2013, S. 6) ist eine Abbildung zur CO₂-Bilanz zu finden, aber als Quelle ist ebenfalls das Fraunhofer angegeben.
• Studie der TUM im Auftrag des Bundesverbands Wärmepumpe. Online unter: http://www.waermepumpe.de/uploads/tx_bwppublication/Energiewirtschaftliche_Bewertung_der_W%C3%A4rmepumpe_-_BWP-Studie_2013.pdf (letzter Zugriff: 20.03.2014).
• Eggenschwiler, Kurt (2002): Lärm von Wärmepumpen, Emissionen – Immissionen. ERFA-Seminar am 25. Februar 2002, EMPA Dübendorf. Online unter: http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/2815 (letzter Zugriff: 06.02.2014).
• Fabris, Christian (2013): Neue Energie = neuer Lärm? Immissionsschutz bei stationären Geräten in Wohngebieten. Online unter: http://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/download/laerm_licht_mobilfunk/20131127__Fabris__Neue_Energie_gleich_neuer_Laerm.pdf (letzter Zugriff: 06.02.2014).