Die Wärmepumpe mit Erdsonde kombinieren

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die zwei unterschiedlichen Energiequellen zusammenmischt, um so Wärme einer gewünschten Temperatur zu erzeugen. Die eine Quelle muss zwingend sehr hochwertige Energie (im Fachjargon Exergie) liefern: mechanische oder elektrische Energie. Die andere Quelle kann eine Wärmequelle sein, deren Temperatur tiefer ist als die angepeilte Nutztemperatur. Das Verhältnis der Leistung aus der Niedertemperatur-Wärmequelle und der hochwertigen Leistung (elektrische Leistung) wird als Epsilon (e) bezeichnet. Dieses Verhältnis e ist entscheidend, um die Versorgung der Schweiz mit genügend Wärmeenergie auch am kältesten Tag des Jahres sicherzustellen.

Je höher die Temperatur der Niedertemperaturquelle ist, desto höher wird der Wert e, und desto weniger hochwertige Energie wie zum Beispiel Strom muss der Wärmepumpe zugeführt werden. Wie ich weiter unten im Detail rechnen werde, können wir davon ausgehen, dass nach der Wärmedämmung die Häuser im Jahr 2050 noch eine Spitzenleistung von 20 GW benötigen werden. Wir dürfen annehmen, dass die maximale elektrische Leistung aller Wärmepumpen der Schweiz am kältesten Tag nicht über 3 Gigawatt (GW) sein soll. Denn diese Leistung ist heute in allen Kernkraftwerken als Spitzenleistung installiert. Der e-Wert, den wir anstreben, um genügend Wärmeenergie zu produzieren, wird somit (20GW-3GW)/3GW = 5.66.

Auch eine sehr gute Wärmepumpe kann diesen Wert e = 5.66 nur ermöglichen, wenn das Niedertemperaturreservoir am kältesten Tag immer noch Wärme mit einer Temperatur von + 8°C liefert. Damit fällt die Aussenluft als Niedertemperaturreservoir definitiv ausser Betracht. Grundwasser wäre im Mittelland geeignet, ist aber nicht überall vorhanden. Als Niedertemperaturreservoir geeignet sind jedoch Erdsonden. Die Bedingungen dabei sind, dass die Erdsonden in eine Tiefe von über 300 Metern reichen und zwingend im Sommer regeneriert werden. Regenerieren bedeutet hier, dass dem Erdreich die im Winter entzogene Wärme im Sommer wieder zugeführt wird. Sind diese Bedingungen erfüllt, ist die Kombination von Wärmepumpe und Erdsonde ideal.

Der Hybridkollektor

Nebst Wärmepumpe und Erdsonde verspricht auch der Hybridkollektor Erfolg. Der Hybridkollektor ist der Kollektortyp, der die höchste Menge an Energie bei höchster Qualität aberntet.

Die für die Solarnutzung geeignete Dachfläche in der Schweiz beträgt rund 100 Quadratkilometer oder 100 Millionen Quadratmeter. Die darauf im Jahr eingestrahlte Solarenergie beträgt 80 Terawattstunden. Der an der ETH entwickelte und ab Mitte 2012 auf dem Markt erhältliche Hybridkollektor wandelt diese eingestrahlte Energiemenge um in zirka 15 Terawattstunden Strom und rund 33 Terawattstunden Wärme von 20-30°C.

Die Kombination mit Wärmepumpe und Erdsonde ist ideal, da die Abwärme des Hybridkollektors im Sommer die Erdsonden regenerieren oder direkt auf die Wärmepumpe geführt werden kann, was zu einem sehr hohen e für die sommerliche Warmwasserproduktion führt.

Wenn wir alle Heizkessel ersetzten.

Die Möglichkeiten von Wärmepumpe, Erdsonde und Hybridkollektor kennen wir nun. Welche Energiemenge benötigt aber die Schweiz in ihrem Gebäudepark?

Der Energieinhalt der in der Schweiz jährlich benötigten Brennstoffmenge von 8 Millionen Tonnen Gas und Öl entspricht 80 Terawattstunden. Die Heizkessel haben eine sogenannte Volllaststundenzahl von 2000 Stunden im Jahr. Das bedeutet, dass sie diese jährlich benötigte Brennstoffmenge in 2000 Stunden Laufzeit verbrennen könnten, wenn sie bei voller Leistung laufen. Daraus kann man errechnen, dass die in den Heizkesseln installierte Spitzenleistung zurzeit ca. 40 Gigawatt beträgt, was rund 40 Mal der elektrischen Spitzenleistung des Kernkraftwerks Gösgen entspricht. Wir können davon ausgehen, dass es gelingen wird, bis zum Jahr 2050 den Energieverbrauch der Gebäude trotz Zunahme der beheizten Fläche dank Wärmedämmung auf 40 Terawattstunden zu halbieren. Bei gleicher Volllaststundenzahl wären dann noch 20 Gigawatt Spitzenleistung erforderlich.

Das Fazit meiner Überlegungen: Um die 700'000 Heizkessel und die 8 Millionen Tonnen fossile Brennstoffe zu ersetzen, bräuchte es also:

• 700 Millionen Meter Erdsonden
• 85 Millionen Quadratmeter Hybridkollektorfläche
• 1 Million zusätzliche Wärmepumpen

Die Investitionskosten dafür beliefen sich insgesamt auf etwa 150 Milliarden Franken. Nähme man sich 40 Jahre Zeit für die Investitionen, wären es 3.5 Milliarden oder 0.6% des jährlichen BIP. Als Vergleich: die Kosten für die fossilen Brennstoffe belaufen sich zurzeit auf 8 Milliarden pro Jahr.

In einem späteren Blog werde ich aufzeigen, dass 450 Meter tiefe Erdsonden von Vorteil sind, dass in Grundwasserschutzgebieten gebohrt werden kann, dass die Hybridkollektoren Teil des Daches werden können, dass das e einen Wert von 10 erreichen kann, dass die Fassade weniger gut gedämmt werden muss als bisher gedacht, dass auf die Wärmerückgewinnung aus der Abluft verzichtet werden kann, dass die Gebäudekühlung keine Kühltürme mehr braucht und so weiter.

(Prof. Hansjürg Leibundgut/ETH-Klimablog)