Erdwärme vom Sportplatz

Kollektorflächen unter Sportplätzen können öffentliche Gebäude, Wohngebiete und Wärmenetze mit Erneuerbarer Wärme versorgen. Typische Kollektoranlagen unter Fußballfeldern mit einer Fläche von rund 7000 m² liefern eine Wärmemenge von 1,1 GWh/a bei einlagiger Verlegung. Der Energieentzug erfolgt nicht wie bei Erdsonden vertikal, sondern horizontal. Ein aktuelles Projekt in Berlin verdeutlicht die Potenziale.

Das Potenzial ist groß. Nach Angaben des Deutschen Fußballbunds gibt es allein in Deutschland rund 45 000 Fußball- und Bolzplätze. Dazu kommen andere Freiluft -Sportflächen, z. B. etwa 44 000 Tennisplätze. Die für die Wärmegewinnung aktivierbare Fläche ist erheblich. Nimmt man nur die Fußballplätze mit je 7000 m² und mehr, sind das theoretisch 315 Mio. m². Berücksichtigt man, dass viele Plätze kleiner als das Bundesligaformat von 110 x 68 m sind und kalkuliert konservativ, ist ein theoretisches Potenzial von 200 bis 250 Mio. m² realistisch. Selbst wenn nur 10 % davon mittelfristig für die Geothermie nutzbar sind, ist ihr Beitrag zur Wärmewende und zur Dezentralisierung von Wärmestrategien relevant.

Sanierungszyklen sind günstiger Zeitpunkt

Die Sanierungszyklen von Sportplätzen unterstützen diese Strategie. Naturrasenplätze sind bei intensiver Nutzung nach fünf bis zehn Jahren sanierungsreif, moderat genutzte Plätze benötigen alle zehn bis 15 Jahre eine Überholung. Und auf Besitzer von Kunstrasenplätzen kommt zusätzlich zu den üblichen Erneuerungszwängen eine Sanierungspflicht zu. Das Mikroplastikverbot der EU erfordert ab 2031 bei vielen Anlagen den schrittweisen Austausch des Belags. Da bei einer Sanierung sowieso mindestens 70 cm des Bodens abschoben werden müssen, um die Spielfläche neu aufzubauen, entstehen Synergieeffekte beim Erdbau. Für die Erdwärmenutzung sind bei einer Kollektorlage i. d. R. 1,50 m unter Erdoberfläche erforderlich, lediglich 80 cm mehr. Trotzdem ist das Volumen des ausgehobenen Erdreichs erheblich, entsprechende angrenzende Lagerflächen sind nötig.

Grundidee des Konzepts

Der Energieentzug erfolgt nicht wie bei Erdsonden vertikal, sondern horizontal. In 1,5 bis 2,5 m unter der Oberfläche sind Flächenkollektoren in einer oder zwei Ebenen verlegt. Diese nutzen die im Sommerhalbjahr über die Sonneneinstrahlung und Niederschlag in den Erdboden eingetragene Umweltwärme. Im September ist der Boden dort 12 bis 15 °C warm. Diese im Erdreich gespeicherte Wärme lässt sich über die Heizperiode entziehen und mit Wärmepumpen auf die nötige Vorlauftemperatur bringen. Mit der am Ende der Heizperiode durch den Wärmeentzug vorhandenen Kälte lassen sich Gebäude im natural cooling sehr energieeffizient kühlen. Durch den Energieeintrag im Sommer ist die vollständige Regeneration des Kollektorfelds gesichert. Eine dauerhafte Auskühlung des Erdreichs und eine Kannibalisierung wie bei nebeneinanderliegenden Erdsonden ist dadurch ausgeschlossen. In hybriden Anlagen ist eine zusätzliche Regeneration des Erdreichs und die kurzfristige oder saisonale Speicherung solarer Gewinne aus Solarthermie, PVT oder (Gebäude-) Abwärme möglich.

Aufbau des Systems

Eine zentrale Rolle im Anlagenkonzept spielen die Hochleistungs-Kollektoren des Herstellers GeoCollect. Ihr Design (s. Abbildung) ermöglicht unter Sportplätzen Entzugsleistungen von bis zu 100 W/m² bei einlagiger Verlegung und bis zu 150 W/m² bei zwei Kollektorlagen, deutlich mehr als andere Kollektorkonzepte am Markt. Unter Sportplätzen werden je zehn Kollektoren zu einem Strang vor Ort kunststoffverschweißt und in Stranggruppen nach dem Tichelmann-System an Verteilerschächte angeschlossen. Druckprüfungen und Prüfprotokolle nach Herstellervorgabe sichern die Installationsqualität. Die Zahl der Verteilerschächte richtet sich nach Größe und Geometrie der genutzten Fläche. Große Flächen wie Sportplätze verfügen in der Regel über zwei und mehr Verteiler und kurze Leitungswege, die Druckverluste im System reduzieren. Von den Verteilern ausgehend verlaufen Wärmeleitungen zu der oder den Wärmepumpen. Je nach Bodenbeschaffenheit werden die Kollektoren mit Sand eingeschlämmt, auf den ein Teil des Mutterbodens wieder eingebracht wird. Feinkörnige Mutterböden können direkt wieder eingebracht werden. Die Anbindung an die Wärmepumpen orientiert sich am ausgelegten Temperaturniveau der Anlage. In kalten Nahwärmenetzen nehmen ungedämmte Kunststoffrohre zusätzlich zu den Kollektoren Erdwärme auf. Ihre Entzugsleistung ist bei der Auslegung der Anlage zu berücksichtigen.

Wärmeertrag von ein bis zwei GWh/a

Die erzielbare Versorgungsleistung ist abhängig von der nutzbaren Fläche, der von der Bodenbeschaffenheit abhängigen Entzugsleistung, der Klimazone, in der die Anlage installiert wird, sowie der Auslegung der Systemtemperaturen und der geplanten Volllaststunden der Wärmepumpen. Typische Kollektoranlagen unter Fußballfeldern mit einer Fläche von rund 7000 m² liefern eine Wärmemenge von 1,1 GWh/a bei einlagiger Verlegung (siehe Projektbeispiel Berlin-Charlottenburg). Bei Bedarf ist die Verlegung der Kollektoren in zwei Lagen möglich. Dazu wird die Baugrube auf 2,50 m Tiefe erweitert, und eine Zwischenlage aus Sand zwischen den Kollektorfeldern eingebracht. In diesem Fall steigt der Wärmeertrag auf rund 2 GWh/a. Diese Erträge machen Sportplätze als Erneuerbare Wärmequellen für die kommunale Wärmeplanung und die Quartiersversorgung interessant.

Bei einlagiger Verlegung versorgt ein Sportplatz 50 bis 80 bestehende Einfamilienhäuser oder mehrere öffentliche Gebäude wie Schulen und Turnhallen, die häufig in direkter Nachbarschaft liegen. Die zu erzielenden Jahresarbeitszahlen (JAZ) richten sich naturgemäß nach den Systemtemperaturen. In kalten Nahwärmenetzen mit gebäudeeigenen Wärmepumpen werden im Gebäudebestand regelmäßig JAZ von 4 bis 5 erreicht. Auch die Anbindung an bestehende Fernwärmenetze ist möglich. Bei Systemtemperaturen von bis zu 90 °C sinkt die JAZ allerdings auf 2, eine Absenkung des erforderlichen Temperaturniveaus im Netz ist eine sinnvolle Effizienzmaßnahme. Auch die Auslegung der Warmwasserbereitung spielt für die Effizienz naturgemäß eine Rolle. Booster-Wärmepumpen oder dezentral elektrische Systeme verbessern die Effizienz wärmeseitig.

Sind sehr hohe Leistungen gewünscht oder erforderlich, bringt die Kombination mit einer PVT-Anlage, etwa auf einer Nebenfläche, einem Stadiondach oder dem Flachdach eines Funktionsgebäudes, deutlich höhere Wärmeerträge. Die aktive Regeneration des Erdreichs durch die thermische Komponente der PVT-Module erlaubt geringere Kollektorabstände und damit höhere Erträge pro m². Die durch die Kühlung der PV-Zellen um rund 5 % höheren Stromerträge decken teilweise den Strombedarf der Wärmepumpen.

Bauvorhaben Maikäferpfad Berlin-Charlottenburg

Aktuell entsteht in Berlin die deutschlandweit erste Erdwärme-Anlage unter einem großen Fußball-Spielfeld. Im Auft rag des Bezirks Charlottenburg-Wilmersdorf realisiert ein Netzwerk erfahrener Unternehmen rund um die Consulting Janssen GmbH und die Autoren als Fachberater und TGA-Planer ein kaltes Nahwärmenetz. Unter einem sanierungsbedürft igen Sportplatz werden 8800 Kollektoren des Herstellers GeoCollect verlegt und über zwei Groß-Verteilerschächte der Terra Calidus GmbH angeschlossen. Mit einer Leistung von 477 kW (ausgelegt nach DIN EN 14511 auf B -3/1) und ein rund 2 km langes Netz ungedämmter Versorgungsleitungen versorgen die Kollektoren vier Wärmepumpen von je 100 bis 150 kW in drei bestehenden Schulgebäuden und einer Turnhalle in der Nachbarschaft. Die Erdwärmeanlage dekarbonisiert die Wärmeversorgung der Gebäude auf einen Schlag und ersetzt 118 000 m³ Erdgas pro Jahr (1 230 000 kWh/a). Die CO₂-Emissionen sinken um rund 180 t/a. Die Bauzeit inklusive Anschluss der Wärmepumpen ist mit geplant 14 Monaten überschaubar, die 880 Kollektorstränge und zwei Groß-Verteilerschächte wurden inklusive Anschlussleitungen in vier Monaten von November 2025 bis März 2026 installiert. Dieses Leuchtturmprojekt macht sichtbar, welches Potenzial in großflächiger, intelligent geplanter Erdwärmenutzung für öffentliche Gebäude steckt. Und das in einem dicht besiedelten Innenstadtgebiet wie Berlin.

Der Weg zum eigenen Projekt

Die korrekte Planung und Auslegung großer Erdkollektoranlagen erfordert fundierte Kenntnisse in Thermodynamik und Wärmeübertragung sowie ein Verständnis oberflächennaher Geothermie und Bodenphysik. Planende sollten Erfahrung in der standortbezogenen Auslegung von GeoCollect-Solefeldern, in der langfristigen Entzugs- und Regenerationsbilanzierung sowie in der Rohrnetzberechnung, Hydraulik und Pumpenauslegung haben. Detaillierte Kenntnis in der Sole- und Wärmenetz-Hydraulik, hydraulischem Abgleich sowie von Leistungskennfeldern und Regelstrategien von Sole-Wärmepumpen, Kompetenz in der Systemintegration (Speicher, Verteilung, Kühlung, Regelung) und nicht zuletzt ein sicherer Umgang mit relevanten Normen, Richtlinien und Genehmigungsanforderungen sind der Schlüssel zum Planungs- und Umsetzungserfolg. Bewertungen von Wirtschaftlichkeit und Lebenszykluskosten betrachten die finanziellen Aspekte. Für erste Abwägungen zur Quartiersversorgung, der Auslegung hybrider Anlagen sowie von kalten Nahwärmenetzen oder einer regenerativen Fernwärmeeinspeisung empfehlen sich Machbarkeitsstudien. Hierfür stehen pauschalisierte Leistungsbausteine zur Verfügung. Die konkrete TGA-Planung und -auslegung erfolgt dann individuell anhand der vor Ort herrschenden Rahmenbedingungen.

Ein Fazit

Große Erdkollektor-Anlagen unter Sportplätzen können einen erheblichen Beitrag zur lokalen Wärmewende leisten. Sie sind klimafreundlich, wirtschaftlich, skalierbar und sorgen für stabile Wärmepreise. Nicht zuletzt reduzieren die dezentralen Anlagen die lokale und nationale Abhängigkeit von fossilen Energien mit ihren stark schwankenden Bezugspreisen.

Autoren: Volkmar Frotscher, selbstständiger Fachberater für Erneuerbare Energiesysteme und Michael Roos, Inhaber und Geschäftsführer TechnoCare Gesellschaft für Gebäudemanagement mbH, Berlin.

www.consulting-janssen.de

www.technocare.de

www.volkmar-frotscher.de

Staatliche Förderung

Für Erdkollektoranlagen gibt es verschiedene Förderprogramme. Etwa als Einzelmaßnahme in der Bundesförderung energieeffiziente Gebäude BEG, oder ab 16 Wärmeabnehmern in der Bundesförderung Effiziente Wärmenetze BEW. Projektabhängig sind Förderquoten von bis zu 50 % möglich.

Selbst bei gleichbleibenden Gaspreisen wirtschaftlich

Die detaillierte Betrachtung der Wirtschaft lichkeit offenbart die finanziellen Vorteile einer regenerativen Wärmeversorgung. Die Tabelle zeigt ein „mittleres“ Szenario mit leicht sinkenden Strompreisen sowie einem moderat steigendem Erdgaspreis. Eine einlagige Anlage unter einem Sportplatz kostet inklusive der Solewärmepumpen rund 2,7 Mio. Euro. Mit staatlicher Förderung wird bereits nach 13 Jahren der Break-Even erreicht. Selbst bei gleichbleibenden Strom- und Gaspreisen erwirtschaft et die Anlage bereits nach 16 Jahren einen finanziellen Vorteil. Sinkt in den nächsten Jahren der Strompreis um 3,5 % und der Gaspreis steigt um 10 %, ist der Break-Even bereits nach 10 Jahren erreicht. Die Kollektoren sind für eine Lebensdauer von 100 Jahren zertifiziert.