Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie: Hydrothermale Geothermie Konstantin Kirsch 27.07.2012.
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Herzlich Willkommen zum Informationsvortrag
Donnerstag, 6. Juni 2013
Erdwärme
Eine wichtige Möglichkeit der Energieversorgung
Präsentation: Erdwärme + Wärmepumpe Arbeitskreis KEIM
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Präsentation Erdwärme + Wärmepumpe Harald Liebel
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Vorstellung
Energie- und Umweltberatung
Marktpartnermanagement
Harald Liebel
Telefon: 0911 802-58222
Telefax: 0911 802-58113
E-Mail: [email protected]
Agenda
1. Rahmenbedingungen - Allgemeines
2. Erneuerbare Energien
3. Geothermie – Tiefengeothermie
4. Geothermie – Oberflächengeothermie
5. Wärmepumpe
6. Zusammenfassung und Ausblick
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N-ERGIE Aktiengesellschaft
im Jahr 2000 gegründet
unter den „Top 10“ der regionalen
Energiedienstleister in Deutschland
rund 650.000 Privatkunden
im nordbayerischen Heimatmarkt
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Regionale Marke stark verankert…
Das Netzgebiet der N-ERGIE hat eine Größe von rund 8.000 km².
Strom
Erdgas Wasser
Wärme Fernwärme
Wasser
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Angebot der N-ERGIE Aktiengesellschaft
N-ERGIE ist ein wichtiger Wirtschaftsfaktor für die Region
Bezieht ein Kunde Strom von
einem Anbieter außerhalb
des N-ERGIE Netzgebietes,
verbleiben lediglich 18% in
der Region.
Energie von der N-ERGIE
sichert Kaufkraft und
Arbeitsplätze in der Region
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Warum eigentlich Erneuerbare?
1. Reduzierung der Abhängigkeit
von stetig steigenden
Energiepreisen (Öl, Gas).
2. Wertsteigerung einer
Immobilie.
3. Beitrag zum Umweltschutz.
Drei ausgewählte gute Gründe …
Momentaner Preis :
0,84 €/ltr Preissteigerung in 3 Jahren 11,4%/a
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Energieeinsparung 8
Knapper werdende Energieressourcen
Quelle: BUND
Das Maximum wurde bereits
überschritten Erdölförderung:
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Eine wachsende Weltbevölkerung
und zunehmender Wohlstand
führen zu stark steigendem
Verbrauch natürlicher
Ressourcen, vor allem bei
endlicher Primärenergie.
Der vernünftige Umgang mit
Energieressourcen und neue
Formen der Energiegewinnung
sind zentrale Aufgaben dieser
und der nachfolgenden
Generationen.
Energie sparen und Energie gewinnen
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Grundlagen
Erneuerbare Energien
Geothermie oder auch Erdwärme genannt, scheint zu einem
Zauberwort für die sichere Energieversorgung von Wohnhäusern der
Zukunft geworden zu sein.
Was ist dran? Wärme ohne Ende, oder ein Ende ohne Wärme?
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Klimaschutzziele bis 2020
Reduzierung der Treibhausgasemisionen um
40%
Steigerung des Anteiles der erneuerbaren
Energien an der Wärmebereitsstellung auf
14%
Anteil der Stromerzeugung aus
erneuerbaren Energien auf 35%
Anteil der erneuerbaren Energien am
Endenergieverbrauch auf 18%
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Anteile erneuerbare Energien
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Erneuerbare Energien - Erdwärme
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Tiefengeothermie- Begriffe
Die Geothermie ist nach menschlichem Ermessen
eine unerschöpfliche Energiereserve.
Sie ist die erneuerbare Energiequelle, die
grundsätzlich an fast jedem Standort genutzt werden
kann.
Auch in Deutschland gibt es ein beachtliches
geothermisches Potenzial, welches den
Energiegehalt aller konventionellen Energieträger um
ein Vielfaches übersteigt.
Synonyme sind Erdwärme oder auch Geothermie
Je tiefer man in das Innere der Erde vordringt, desto wärmer wird es. In Deutschland nimmt
die Temperatur im Mittel um etwa 30 °C pro Kilometer zu.
Das heißt, dass in 1.000 m Tiefe 40 °C, in 2.000 m Tiefe 70 °C und in 3.000 m Tiefe
100°C erreicht werden. Diese Werte schwanken regional jedoch oft stark.
Energetisch interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höheren Temperaturen. Hier
steigt das Thermometer schon in geringer Tiefe auf mehrere hundert Grad Celsius.
Geothermische Systeme lassen sich unter verschiedenen Gesichtspunkten klassifizieren.
1. Tiefe Geothermie 2. Oberflächennahe Geothermie
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Tiefengeothermie
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Als Tiefengeothermie
bezeichnet man die
Nutzung der Erdwärme
in Tiefen zwischen 400
und 6.000 Metern.
Die Temperaturen sind
im Vergleich zur ober-
flächennahen Geo-
thermie weitaus höher.
Neben der Wärmever-
sorgung ist die Tiefen-
geothermie deshalb
auch für die Stromer-
zeugung nutzbar.
Tiefengeothermie
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So funktioniert die hydrothermale Geothermie:
1. Aus 2.000 bis 4.000 Meter Tiefe wird vor-
handenes Thermalwasser mit einer
Temperatur von 90 bis 150°C an die
Oberfläche gepumpt.
2. In einem ersten Wärmetauscher gibt das
Thermalwasser seine Wärme an einen schnell
verdampfenden Wärmeträger ab.
3. Der Dampf treibt über eine Turbine den
Generator zur Stromerzeugung an
4. Ehe er kondensiert und wieder abkühlt
5. Das Thermalwasser ist danach noch immer
heiß genug, um in einem zweiten
Wärmetauscher Wärme an den Kreislauf
eines Nahwärmenetzes abzugeben
6. Das abgekühlte Wasser wird wieder in die
Tiefe gepumpt, wo es sich erneut erhitzt
Tiefengeothermie
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Während die hydrothermale Geothermie heißes Thermalwasser zur Strom- und
Wärmegewinnung nutzt, sitzt die petrothermale Geothermie „auf dem Trockenen“.
Aus diesem Grund wird unter hohem Druck Wasser in das trockene Gestein in ca. 2.000 bis
6.000 m Tiefe gepresst. Hierdurch entstehen Risse mit einer Breite von weniger als einem
Millimeter. Diese werden als Transportweg genutzt, um kalte Flüssigkeiten mit Hilfe der
natürlichen Wärme des heißen Gesteins zu erhitzen. Die hohen Temperaturen können dann
zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.
Selbst das Potenzial der kleinsten Ressource (hydrothermale Geothermie)
entspricht noch ungefähr dem Fünffachen des deutschen Jahresstrombedarfs.
Tiefengeothermie - Potentiale
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In Deutschland wird in rund 170 größeren
geothermischen Anlagen Wärme und teilweise
Strom produziert.
Die Leistung dieser Anlagen erreicht insgesamt
rund 100 Megawatt.
Vor allem Thermalbäder und Gebäudekomplexe
werden mit Tiefengeothermie beheizt.
13 geothermische Heizkraftwerke speisen
Wärme in ein Nahwärmenetz ein
3 geothermische Kraftwerke produzieren Strom.
Zwei weitere Kraftwerke, in Bruchsal und
Simbach am Inn, sind im Probebetrieb
An 180 Standorten wurden bei den Bergämtern
Aufsuchungserlaubnisse beantragt.
Tiefengeothermie Deutschland
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WÄRME- UND STROM AUS GEOTHERMISCHEN KRAFTWERKEN IN
DEUTSCHLAND
Geothermiekraftwerk Neustadt-Glewe Inbetriebnahme 2003
Erschließungskonzept Hydrothermal
Stromerzeugungsverfahren Organic Rankine Cycle (ORC)
Tiefe der Bohrung 2.455 m
Fördertemperatur des Thermalwassers 92 – 97 °C
Abstand der Bohrungen 1.500 m
Elektrische Leistung 0,2 MWel, Thermische Leistung 5,5 MWth
Geothermiekraftwerk Landau Inbetriebnahme 2007
Erschließungskonzept Hydrothermal
Stromerzeugungsverfahren Organic Rankine Cycle (ORC)
Tiefe der Bohrung ca. 3.000 m
Fördertemperatur des Thermalwassers 155 °C
Abstand der Bohrungen übertage 6 m untertage 1.300 m
Elektrische Leistung 3 MWel; Thermische Leistung 5 MWth
Geothermiekraftwerk Unterhaching Inbetriebnahme 2008
Erschließungskonzept Hydrothermal
Stromerzeugungsverfahren Kalina Cycle
Tiefe der Bohrung ca. 3.400 m
Fördertemperatur des Thermalwassers 122 °C
Abstand der Bohrungen übertage 3.500 m, untertage 4.500 m
Elektrische Leistung 3,4 MWel; Thermische Leistung 38 MWth
Tiefengeothermie Deutschland
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Die oberflächennahe Geothermie nutzt die
Energie, die in Erdschichten bis 400 Meter
Tiefe oder im Grundwasser gespeichert ist.
Oberflächennahe Geothermie
Die hier herrschenden Temperaturen
von 8 bis 12 °C lassen sich mit Hilfe
von Wärmepumpen,
Erdwärmekollektoren oder
Erdwärmesonden zur Bereitstellung von
Raumheizung und Warmwasser nutzen.
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Oberflächennahe Geothermie
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Umweltwärme - Wärmepumpe
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1852 konnte Lord Kelvin nachweisen,
daß Kältemaschinen auch zum Heizen verwendet werden
können.
Außerdem konnte er zeigen, dass zum Heizen mittels
Wärmepumpe weniger Primärenergie benötigt wird,
als zum direkten Heizen.
Dies deshalb, weil die von der Wärmepumpe
aufgenommene Wärmeenergie aus der Umgebung (Luft,
Wasser oder Erde)
stammte und daher einen unverhofften Energiegewinn
brachte.
Die erste Wärmepumpe ist über 150 Jahre alt
…und heute im Jahr 2013?
Wärmepumpe
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Das Prinzip der Wärmepumpe
p=1,7 bar
T=3 oC
T=-2 oC
p=1,7 bar
p=13,5 bar
T=73,5 oC
T=48 oC
p=13,5 bar
Druck steigt Temp. steigt
T=53 oC
Umweltwärme T=7oC
Überhitzung 5K
Verdampfungs- temperatur konstant -2oC
Kondensations-temperatur konstant 53 oC
Unterkühlung 5K
Temp. fällt
Druck fällt
Druck
konst
ant Druck konstant
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Entlüftung
Verdampfer
Belüftung
Verflüssiger
Drosselorgan Motorkompressor / Verdichter
Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
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Leistungszahl, COP - Beurteilung
• Einen wichtigen Ansatz zur Beurteilung einer Wärmepumpe bietet die so genannte
Leistungszahl, auch COP (Coefficient Of Performance) genannt. Diese ergibt sich aus
dem Verhältnis der abgegebenen Heizenergie zur zugeführten elektrischen Energie.
• Sole/Wasser-Wärmepumpen liefern rund 4,5 kW an Wärmeleistung je Kilowatt an
aufgenommener elektrischer Leistung das ergibt einen COP von 4,5
• Wasser/Wasser-Wärmepumpe liegen noch etwas höher, hier wird ein COP von
ca. 5 – 5,5 erreicht
• Luft/Wasser-Wärmepumpen liegen naturgemäß etwas schlechter, Sie arbeiten
normalerweise mit einem COP von bis zu 3,5
Technisch ist also die Sole/Wasser-Wärmepumpe besser als die Luft/Wasser-Wärmepumpe
aber schlechter als die Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Bei dem hohen Aufwand zur
Errichtung muss trotzdem genau hingesehen werden ob die größere JAZ den Einbau der
teureren Technik rechtfertigt.
Rein rechnerisch ist 3,5/4,5 = 0,77 – also 77%. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist um gute
23 % schlechter als Kollege Kollektor und Sonde, wenn alle Anlagenkomponenten
aufeinander abgestimmt sind.
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Donnerstag, 6. Juni 2013 32
Im Bereich der Wohnraumbeheizung liegt eine interessante Option in der Nutzung von
Erdwärme.
Hierbei macht man sich zu nutze, dass die Erde ab einer bestimmten Tiefe unter der
Oberfläche immer ein gewisses Temperaturniveau hält.
Bis in eine Tiefe von etwa 10m
bis 20 m unter der Erdober-
fläche wird die Temperatur
durch die Sonneneinstrahlung
und klimatische Temperatur-
schwankungen beeinflusst.
Unterhalb dieses Einflussbe-
reichs beträgt die Temperatur
in unseren Breiten im Mittel
ca. 10 °C.
Erdwärmesonden
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Die Technik zur Nutzung der Erdwärme stellt die Verwendung von
sog. Tiefensonden dar.
Es werden Bohrungen mit bis zu 100mtr Tiefe eingebracht.
In diesen Bohrungen verlaufen die Rohre mit dem Übertragungs-
medium. Die Erdwärmesonde, bestehend aus einem oder zwei U-
Rohr(en) oder auch einem Koaxial-Rohr (üblicherweise aus
Kunststoff). Dieses wird dann mit Spezialgerät in das Bohrloch
versenkt.
Mit einer solchen Sonde kann dann dem Gestein über
eine Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) Wärme entzogen
werden.
Mit modernem Bohrgerät kann eine Tiefe von bis zu
380 m erreicht werden, jedoch ist ab einer Tiefe von
100mtr. das Bergwerksrecht einzuhalten.
Erdwärmesonden
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Allgemeine Richtwerte für die spezifische Entzugsleistungen für
Erdwärmesonden
(Quelle: VDI 4640, Blatt 2)
Schlechter Untergrund und wassergesättigtes Sediment
Nutzungsdauer 1'800 h/a: 25 W/m
2'400 h/a: 20 W/m
Normaler Festgesteins-Untergrund und wasserfestes Sediment
Nutzungsdauer 1'800 h/a: 60 W/m
2'400 h/a: 50 W/m
Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Nutzungsdauer 1'800 h/a: 84 W/m
2'400 h/a: 70 W/m
Erdwärmesonden Entzugsleistung
Genaue Leistungsangaben sind der VDI Richtlinie 4640 Blatt 2
"Thermische Nutzung des Untergrundes" zu entnehmen
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Erdwärmekollektoren sind Wärme-
überträger, die üblicherweise aus
Kunststoffrohren bestehen und
horizontal in einer Tiefe von in der
Regel 1,2 bis max. 1,5 m (20 cm unter
der Frosteindringtiefe) verlegt werden.
Erdwärmekollektoren
Dabei verlaufen die Rohre im Abstand von 0,5 bis 0,8 m parallel zueinander, so
dass je 1 m² Wärmeentzugsfläche ca. 1,3 bis 3 m Rohr verlegt werden.
Im Kollektor zirkuliert als Wärmeträger-flüssigkeit eine Sole (Wasser /
Frostschutzmittel (z. B. Glykol)-Gemisch), die die Wärme aus dem Erdreich
aufnimmt und an die Wärmepumpe weiterleitet.
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Die dem Boden entzogene Energie wird vor allem in den Sommermonaten durch die
Sonneneinstrahlung und ganzjährig durch die Wärme im Niederschlags- und
Sickerwasser nachgeliefert.
Damit Sonne und Regen den Energieentzug ausgleichen können, dürfen horizontale
Erdwärmekollektoren nicht überbaut werden. Durch eine zusätzliche Versickerung von
Niederschlagswasser kann der Flächenbedarf eines Erdwärmekollektors erheblich
verringert werden.
Erdwärmekollektoren
Der Einsatz horizontaler Erdwärmekollektoren ist an
bestimmte Voraussetzungen gebunden. Die
Standorteigenschaften müssen so günstig sein, dass der
Boden genügend Energie aufnehmen, speichern und
abgeben kann. Es hängt von der Dichte, der Feinkörnigkeit
und dem Wassergehalt des Bodens ab, ob hinreichend
Wärme nachgeliefert werden kann.
Der Wassergehalt des Bodens spielt dabei auf Grund der
hohen Wärmekapazität des Wassers die ausschlaggebende
Rolle.
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Erdwärmekollektoren Entzugsleistung
gering unter 10 W x m-2;
typisch für trockene, nicht bindige Böden
mittel unter 20 – 30 W x m-2;
typisch für feuchte, bindige Böden
hoch über 40 W x m-2;
typisch für wassergesättigte Sande oder
Kiese
zu flach Lockergesteinsmächtigkeit unter 1 m
oder über 50 Vol.-% Festgestein oder
Skelettboden
grundnass oberflächennahes Grundwasser im ersten
Tiefenmeter; hohe Wärmekapazität, aber
stark erhöhter Installationsaufwand.
* Achtung: Für den Einsatz von Erdwärmekörben, Grabenkollektoren oder Spiralrohre gelten andere
Bewertungsgrenzen!
Spezifische Wärmeentzugsleistung in W/m2 durch horizontale Erdwärme-kollektoren
bei 1800 (2 400) Jahresbetriebsstunden nach VDi-Richtlinie 4640, Blatt 2 *
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Donnerstag, 6. Juni 2013 38
Einen Kompromiss zwischen beiden Methoden stellen die so
genannten Erdwärmekörbe dar.
Erdwärmekörbe
Bei dieser Technik verlaufen die Rohre in Spiralform in die Tiefe,
was in Verbindung mit den nach oben abführten Zu- und
Ableitungen der Konstruktion die optische Anmutung eines
"Körbchens" verleiht.
Diese Körbe werden in wenigen Metern Tiefe eingegraben und
können somit kostengünstig nahezu überall verbaut werden.
Erdwärme-Körbe bieten eine Leistungsfähigkeit
ähnlich den Tiefensonden.
Diese Methode kann sehr gut bei Neubauvorhaben
angewendet werden, da sie beim Aushub der
Baugrube wenig Zusatzaufwand verursacht.
Aber auch die Nachrüstung ist problemlos möglich,
wenn rund ums Haus etwas Platz zur Verfügung
steht.
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Donnerstag, 6. Juni 2013 39
- 39 -
Förderung für Heizungsanlagen Nutzen Sie die aktuellen Förderprogramme
Anlagen zur Nutzung Erneuerbare Energien werden bundesweit über das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) und die KfW-Förderbank gefördert.
Beim BAFA werden gefördert: Solarkollektoranlagen ab 9m² bis 40 m²
Bruttokollektorfläche
Solarkollektoranlagen mit mehr als 40 m² Bruttokollektorfläche auf Ein- und - Zweifamilienhäusern mit hohen Pufferspeichervolumina
automatisch beschickten Biomasseanlagen
besonders emissionsarmen Scheitholzvergaserkesseln
effizienten Wärmepumpen
Zinsgünstige Darlehen können bei der KfW-Förderbank beantragt werden.
CO2 Minderungsprogramm der N-ERGIE Aktiengesellschaft
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Donnerstag, 6. Juni 2013 40 14.05.2009
Wärmepumpentag 40
Förderung über das Marktanreizprogramm für Maßnahmen
zur Nutzung erneuerbarer Energien
Förderung - Wärmepumpe
Beispiele:
Solewasser Wärmepumpe 10 kW (2800€ + 500€) 3200,-- Euro
Solewasser Wärmepumpe 15 kW (2800€ + 600€ + 500€) 3900,-- Euro
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Donnerstag, 6. Juni 2013 42
Allgemeines
Das CO2-Minderungsprogramm besteht seit 1996 in
Zusammenarbeit mit der Stadt Nürnberg, finanziert
durch die N-ERGIE Aktiengesellschaft
Unterstützung des Beitrags der Kunden zur
effizienten Nutzung der Ressourcen – mit barem Geld
oder Gutschriften im Gesamtwert von 800.000 Euro
für das Jahr 2013
Die durch das CO2-Minderungsprogramm 2012
ausgelöste CO2-Einsparung: ca. 7.000 t
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Donnerstag, 6. Juni 2013 43
Förderpositionen im Überblick
Ein Ziel ist die Schaffung finanzieller Anreize für
Investitionen
Folgende Förderpositionen umfasst das CO2-
Minderungsprogramm:
Energie- und Umweltberatung
Gebäudedämmung
Heizungsumstellung
Erstellung von Blockheizkraftwerken
Nutzung erneuerbarer Energien
Erdgas- u. Elektromobilität
Stromeffizienter Haushalt
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Donnerstag, 6. Juni 2013 44
Heizungsumstellung – Wärmepumpe
Gefördert werden (im Neubau, sowie im Gebäudebestand)
der Einbau oder
die Umstellung von Nachtspeicher, Kohle, Koks, Gas
od. Öl auf Erdgas-Wärmepumpen oder auf effiziente
Elektro- Wärmepumpenanlagen zur Raumheizung
mit einer entsprechend mindestens erforderlichen
Leistungszahl:
Luft-Wasser-Wärmepumpe: LZ ≥ 3,1
Sole-Wasser-Wärmepumpe: LZ ≥ 4,3
Wasser-Wasser-Wärmepumpe: LZ ≥ 5,1
Fördersumme bei Umstellung oder Einbau einer Gas-
Wärmepumpe 1.200 €
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Donnerstag, 6. Juni 2013 45 - 45 -
Wie groß Einsparungen durch den
Einbau einer Wärmepumpe sein
können zeigen folgende
Beispielrechnungen:
Eckdaten:
Neubau Baujahr 2011
Wohnfläche: 155 m2
Verbrauch:
o Raumwärmebedarf 35,1 kWh/m²xa
o Warmwasserbedarf 12,5 kWh/m²xa
14. Juni 2013 45
Eine neue Wärmepumpe senkt den Schadstoffausstoß und
die Energiekosten
Neubau
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Donnerstag, 6. Juni 2013 46
Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe
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Donnerstag, 6. Juni 2013 47
Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe
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Donnerstag, 6. Juni 2013 48
Pro Contra
geringer Treibhausgasausstoß für
tiefe Geothermie
Petrothermale Geothermie noch in der
Erforschungsphase
keine endlichen Energierohstoffe
nötig wie bei den fossilen
Energieträgern und der Kernenergie
Risiken der notwendigen Bohrungen
noch nicht komplett erforscht
tiefe Geotthermienutzung nicht
fluktuierend wie Sonne und Wind
geringer Eingriff in das oberirdische
Ökosystem
Elektrisch betriebene
Wärmepumpen in Kombination mit
Strom aus erneuerbaren Energien
sind eine der besten Möglichkeiten
für ökologische Gebäudeheizungen
ineffiziente Wärmebereitstellung bei
Umgebungsluft-Wärmepumpen
(schlechte Primärenergieeinsparung)
Wärmepumpen in nahezu jedem
Haushalt installierbar
Zusammenfassung Geothermie – Pro und Contra
Ihre Energieberater:
Eva Rausch Harald Scherzer Harald Liebel
Hotline der Energieberatung: Telefon: 0911/802-58222
Fax: 0911/802-58113
N-ERGIE Centrum
Südliche Fürther Straße 14
(am Plärrer)
90429 Nürnberg
Internet
www.n-ergie.de/energieberatung
Haben Sie noch Fragen?