Um das Klima zu schützen sollten möglichst regenerative Energiequellen eingesetzt werden.
Hier sind vor allem Windenergie und Photovoltaik zu nennen, aus denen elektrische Energie gewonnen werden kann. Diese Energieform gilt als am höherwertigsten, weil aus ihr Licht, Kraft, Wärme und Kälte hergestellt werden kann.
Die Nutzung der Wärme aus tiefen Bodenschichten wird Geothermie genannt. Liegen die Temperaturen hoch genug, so lassen sich mit der Geothermie sogar Kraftwerke betreiben. Das ist beispielshaft in Larderello in Italien der Fall.
In der Region um München liegen die geothermischen Temperaturen so hoch, dass eine Fernwärmeversorgung ohne Wärmepumpe möglich ist. In vielen anderen Regionen muss jedoch eine Wärmepumpe die aus der Tiefe gewonnene Wärme auf die für die Heizung erforderlichen Vorlauftemperaturen anheben, wenn die Bohrung nicht tief genug geht.
Die Erde wird zu einem Teil von der Sonne und zum anderen Teil durch radiologische Vorgänge im Erdinneren erwärmt. Die Geschwindigkeit des Eindringens von Sonnenenergie in den Boden ist aufgrund des Verhältnisses von Wärmeleitfähigkeit zur Wärmekapazität so gering, dass in etwa 80 cm Tiefe im Winter die höchsten und im Sommer die niedrigsten Temperaturen herrschen. Mit weiterer Tiefe nehmen die jahreszeitlichen Unterschiede aufgrund der Wärmekapazität des Bodens ab und ab 20 m ist mit jahreszeitlich konstanten Temperaturen zu rechnen. Von hier aus nimmt die Temperatur mit je 33m weiterer Tiefe um ein Grad zu.
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In etwa 100 m Tiefe werden mit dieser einfachen Formel 12 – 13°C erreicht – bereits genug, um mit einer Wärmepumpe bei einer Fußbodenheizung die erforderliche Vorlauftemperatur von 35°C zu erreichen. Bohrt man tiefer, so werden es bei etwa 250 m 17°C, was die erforderliche Wärmepumpenarbeit etwas reduziert, und ab einer Tiefe von 1.000 m kann man in Deutschland mit Tiefentemperaturen von 40 °C rechnen, die dann sogar ganz ohne Wärmepumpeneinsatz direkt für die Beheizung von Wohnräumen genutzt werden können.
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Die angegebenen Daten sind weltweit gemittelte Durchschnittswerte. In München liegen sie deutlich höher und ob sie in Mülheim an der Ruhr höher liegen, muss durch Probebohrungen ermittelt werden.
Das Fachinformationssystem “Geothermie” des Geologischen Dienstes NRW weist für das betrachtete Baugebiet eine gute Eignung bei Tiefen von 100m aus. Ab einer Tiefe von 5 m geht man von einer Ton-Schluffstein-Struktur mit Sandstein (Karbon) aus, deren Leitfähigkeit 2,6 W/(m K) beträgt, was ein guter Wert für die Erdwärmenutzung ist.
Link: https://www.geothermie.nrw.de/geothermie2022/?lang=de
Das u.a. durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Geothermischen Informationssystems GeotIS stellt berechnete Tiefendaten für die erste Vorauslegung von Wärmesystemen zur Verfügung. Die Daten von GeotIS besagen, dass man am Standort des ehemaligen Tengelmann-Geländes in Mülheim an der Ruhr in 91 m Tiefe 15°C, in 275 m Tiefe 20°C, in 429 m Tiefe 25°C, in 603 m Tiefe 30°C, in 661 m Tiefe 35° und in 826 m Tiefe 40°C erreichen kann.
Link: https://www.geotis.de
Mit 1.000 m Tiefe könnte entsprechend dieser Information auf eine Wärmepumpe und deren elektrischen Energiebedarf komplett verzichtet werden und man benötigt nur noch eine hydraulischer (Heizungs-) Pumpe.
Sicherlich kann man auch auf die technischen Daten des benachbarten Supermarkts geschaut werden, der im Dezember 2008 als Tengelmann-Klimamarkt mit einer Erdwärme-Wärmepumpe eröffnet wurde, deren Sonden bis in eine Tiefe von 130 m reichen.
Neben der Geothermie-Erdwärmepumpe spielt die Luftwärmepumpe bei der regenerativ unterstützten Beheizung von Wohngebäuden eine Rolle. Hier wird die Umgebungsluft genutzt, um Wärme bereit zu stellen. In der Übergangszeit und im Sommer liegt die Temperatur der Umgebungsluft über der der Erdwärme in Tiefen bis 250 m (17°C). Die Luftwärmepumpe benötigt dann weniger Strom für den Kompressor, als die Erdwärmepumpe. Unterhalb von Temperaturen von 17°C kehrt sich das jedoch um.
Eine Auslegung der Wärmepumpenleistung erfolgt für den kältesten Tag des Jahres. In Mülheim ist -8°C anzusetzen. Dann ist gegenüber der aus der Umgebung aufgenommenen Wärme etwa das 4-fache an elektrischer Energie erforderlich, um die 35°C des Vorlaufs zu erreichen. An diesen Tagen heizt man also zu 80% elektrisch, da die Umgebungswärme nur einen Anteil von 20% hat.
Für einen direkten Vergleich verschiedener Wärmepumpen wird die Jahresarbeitszahl JAZ verwendet. Sie beschreibt, wieviel Wärme je kWh Stromeinsatz abgegeben wird. Für eine Luft-Wasserwärmepumpe am Standort Mülheim an der Ruhr ergibt sich für eine Vorlauftemperatur von 35°C eine JAZ von 3,9 unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften eines Niedrigenergiehauses. Für eine Erdwärmepumpe sind es bei 300 m Bohrtiefe bereits JAZ = 5 und bei einer Bohrtiefe von 500 m JAZ = 7 – 8.
Die Kosten für die Errichtung einer Erdwärmepumpe für ein Reihenhaus liegen für Bohrtiefen von ca. 300 m bei etwa 10.000 € über denen einer Luftwärmepumpe gleicher Leistung. Bei einer Objektbebauung mit den Leistungen eines großen Baufelds verringern sich die Unterschiede, wenn man sie auf die Grundfläche der beheizten Wohnungen bezieht. Eine Erdwärmepumpe ist für derartige Leistungsgrößen aufgrund der Stromkosten im Betrieb nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch besser als eine Luftwärmepumpe. Ein Bauherr, der das errichtete Gebäude später selber nutzt, wird sich daher stets für die Erdwärmepumpe entscheiden. Ein Bauherr, der später vermietet oder veräußert, orientiert sich an den Errichtungskosten. Hier muss der Bebauungsplan steuernd eingreifen.
Für das frühere Tengelmann-Gelände müsste es verpflichtend werden, eine Erdwärmepumpe mit einer Bohrtiefe, die zum Gewinnen von Wärme bei über 40°C führt, verpflichtend vorzuschreiben. So kann auf die Wärmepumpe verzichtet werden und es werden nur hydraulische Pumpen erforderlich. Je nach Temperaturverlauf im Boden sind dafür Bohrungen bis zu 1.000 m erforderlich.
Die Errichtung von Windkraftwerken ist in bewohnten Bereichen problematisch – nicht nur wegen der erwarteten Einsprüche. Die Windanströmung ist innerhalb der Urbanität nicht stabil genug und es kommen nur geringe Volllaststunden zusammen.
Die im Internet vorgeschlagenen Turbinen – ob horizontal oder vertikal – enttäuschen aufgrund der gegenüber den in Prospekten genannten Werten durch zu geringe Anströmungsgeschwindigkeiten und zu niedriger Auslastung.
In Kombination oder als Alternative zu Photovoltaikmodulen werden Solarthermie-Panels eingesetzt, mit denen die die von der Sonneneinstrahlung absorbierte Wärme direkt in einen Fluidkreislauf geben wird. Diese Einbindung in die Energieversorgung von Gebäuden stellt entweder im Sommer mehr Wärme, als erforderlich, oder im Winter weniger Wärme, als erforderlich, zur Verfügung. Die Effizienz ist jedoch insbesondere bei der diffusen Wärmestrahlung im Winter höher, als die der Photovoltaikmodule.
Besonders erfolgreich werden Solarthermiemodule in den Touristengebieten des Mittelmeers eingesetzt, wo in der Übergangszeit die Pools beheizt werden und wo das ganze Jahr über mit Ausnahme des Winters viel Energie für die Duschen benötigt wird. In einem Ein- oder Zweifamilienhaus in der Region Mülheim kann das vorteilhaft sein.
Bei Hochhäusern ist das Verhältnis von Dachfläche zu Wohnfläche jedoch so gering, dass die Energiebeiträge von Solarthermieanlagen vernachlässigbar werden.
Fazit zu regenerativen Energiequellen
Zur Vermeidung einer großen Anzahl an Aufzügen sollten die Gebäude wo möglich in Zweifamilien-Reihenhäuser aufgeteilt werden, oder aber eine Höhe von weniger als 7 Geschossen haben.
Für die Wärmeversorgung eignet sich Erdwärme aus Tiefen von 100 bis 120 m oder tiefer, bei der das geförderte Grundwasser Temperaturen oberhalb der erforderlichen Vorlauftemperaturen der Fußbodenheizung erreicht und für Heizzwecke keine Wärmepumpe eingesetzt werden muss. Zur Aufheizung des Brauchwassers in den einzelnen Wohnungen sollten in den einzelnen Wohnungen kleinere dezentrale Wärmepumpen oder sogar Durchlauferhitzer eingesetzt werden, die mit elektrischer Energie betrieben werden.
Die Dächer sollten als Pultdächer nach Süd ausgerichtet werden und einen Winkel von 15° aufweisen, um vollständig mit PV-Modulen belegt werden zu können. Das auf die Dächer fallende Regenwasser sollte in eine Zisterne unter dem Park geleitet werden und von dort gezielt zum Spülen der Abwasserkanäle sowie für Bewässerungszwecke der Vegetation im Nahumfeld eingesetzt werden.