Erdwärmepumpen

2017 schaltete die Ball State University in Indiana den letzten der vier Kohleheizkessel, die ihren Campus jahrzehntelang beheizt hatten. Stattdessen bohrte sie rund 3.600 Bohrlöcher unter ihrem Gelände und verband diese über zwei Energiestationen mit Wärmepumpen, die den Campus heizen und kühlen. Das System kostete etwa 65 Millionen Dollar, und die Universität verpflichtete sich, ihre Treibhausgasemissionen um fast 80.000 Tonnen pro Jahr zu reduzieren (Wikipedia, Ball State University).

Eine Erdwärmepumpe ist keine neue Energiequelle. Es ist ein Multiplikator: es nutzt Strom, um Wärme, die sich bereits im Boden befindet, in ein Gebäude zu befördern und liefert drei bis fünf Einheiten Wärme für jede verbrauchte Stromeinheit (IEA, 2022). Er ist ausgereift, zuverlässig und leise. Es ist auch teuer zu installieren, weshalb diese Seite so viel Zeit auf Kosten als auf Physik verbringt.

Was es ist

Eine Erdwärmepumpe besteht aus drei Teilen: a Masseschleife Kunststoffrohr in Gräben vergraben oder in Bohrlöchern gefallen, mit Wasser und Frostschutzmittel gefüllt; Wärmepumpe für Haus Die Größe eines Kühlschranks, normalerweise im Innenbereich; und ein Wärmeverteilungssystem, wie Heizkörper oder Fußbodenheizung. Im Winter nimmt die Flüssigkeit im Kreislauf Wärme aus dem Boden auf und die Wärmepumpe konzentriert sie auf 35 bis 55 °C für das Haus. Im Sommer kann dieselbe Maschine rückwärts laufen, das Gebäude kühlen und Wärme in den Boden zurückgeben.

Kleine Häuser mit Gärten können horizontale Schleifen verwenden, die 1 bis 2 m tief verlegt sind. Die meisten anderen Gebäude verwenden vertikale Bohrlöcher, typischerweise 15 bis 150 m tief; ein Einfamilienhaus, das 10 kW Wärme benötigt, könnte drei Bohrlöcher von 80 bis 110 m benötigen (Wikipedia, Erdwärmepumpe). Ganze Straßen und Campus können sich ein Bohrlochfeld über ein thermisches Netzwerk teilen: eine umgebungstemperaturgerechte Wasserschleife, die viele Gebäude miteinander verbindet, jedes mit seiner eigenen Wärmepumpe.

Wie es funktioniert

Eine Wärmepumpe ist ein Kühlschrank, der von innen heraus gedreht wird. Ein Arbeitsmedium (das Kältemittel) verdampft bei niedriger Temperatur in einem Wärmetauscher, der an den Erdkreislauf angeschlossen ist und Wärme absorbiert. Ein Kompressor drückt den Dampf zusammen, wodurch seine Temperatur steigt. In einem zweiten Wärmetauscher kondensiert es und gibt diese Wärme an das Wasser ab, das zu den Heizkörpern führt. Ein Expansionsventil lässt den Druck absinken und der Zyklus beginnt von vorne.

Der Multiplikator. Die gelieferten Wärme geteilt durch den verwendeten Strom ist der Koeffizient der Leistung, COP. Das Beste, was eine Wärmepumpe jemals tun kann, ist der Carnot-Koeffizient:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), mit Temperaturen in Kelvin.

Die Lieferung von Wasser bei 40 °C (313 K) aus dem Boden bei 5 °C (278 K) nach Wärmetauscherverlusten ergibt 313 / 35 ≈ 8.9. Echte Maschinen erreichen ungefähr Halb Die Carnot-Zahl, also etwa 4,5. Zwei Dinge folgen direkt aus der Gleichung:

• Der Auftrieb ist wichtiger als alles andere. Jeder Grad zwischen der Quelle und den Heizkörpern kostet Effizienz. Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur von 35 °C auf 55 °C senkt unseren modellierten Erdwärme-COP von etwa 4,5 auf 3,0. Größere Heizkörper oder Fußbodenheizungen, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, machen jede Wärmepumpe besser.
• Die Quellentemperatur ist wichtig. Die Außenluft ist am kältesten, wenn Wärme am meisten benötigt wird. Bei −7 °C und 55 °C Durchfluss sinkt eine Luftquelleneinheit in unserem Modell auf etwa 2,3; der Boden bei etwa 10 °C ergibt bei gleicher Vorlauftemperatur 3,0. Das ist der ganze Vorteil des Bodens.

Der Boden ist eine langsame Batterie. Einige Meter tiefer verschwinden die täglichen Schwankungen; in 10 bis 20 m Tiefe liegt der Boden nahe an der lokalen durchschnittlichen Jahreslufttemperatur, und tiefer erwärmt er sich um etwa 0,025 °C pro Meter (Wikipedia, Erdwärmepumpe). Die Wärme in ihm kommt hauptsächlich von der Sonne, die die Oberfläche erwärmt, nicht vom Erdkern. Ein Bohrloch, das nur Wärme entnimmt, kühlt das umliegende Gestein im Laufe der Jahre langsam ab. Ein dicht gepacktes Feld von Bohrlöchern kann sich schneller abkühlen, als sich der Boden erholt. Die Wärme im Sommer durch Kühlung der Gebäude zurückzuführen, hält das Gleichgewicht. Deshalb funktionieren gemeinsame Netze, die Wärme- und Kältelasten mischen, so gut.

Die saisonale Zahl. Der COP auf einem Datenblatt wird unter einer Testbedingung gemessen. Entscheidend ist der saisonale Leistungsfaktor (SPF): die Wärme, die über ein ganzes Jahr geliefert wird, geteilt durch den gesamten Stromverbrauch, einschließlich Pumpen und Reserveheizungen. Feldtests messen den SPF, und er ist immer niedriger als der Labor-COP.

Die Grenzen der Technik

• Physik. Die Carnot-Grenze begrenzt den COP für einen bestimmten Aufzug; kein Kältemittel oder Kompressor entweicht ihr. Echte Maschinen sind bereits bei etwa der Hälfte davon, und die besten bei etwas mehr.
• Bodenkapazität. Jeder Meter Bohrloch kann je nach Gestein und Grundwasser nur wenige Dutzend Watt Wärme liefern, so dass der Wärmebedarf eines Gebäudes bestimmt, wie viele Meter gebohrt werden müssen. Die Bohrungen sind die größten Einzelkosten.
• Raum und Zugang. Bohrgeräte benötigen Zugang; dichte Stadtblöcke, denkmalgeschützte Gebäude und kleine Grundstücke haben möglicherweise keinen Platz zum Bohren.
• Bauqualität. Ein undichtes Haus mit kleinen Heizkörpern benötigt eine hohe Vorlauftemperatur, was den COP senkt; Dämmung und größere Strahler kommen oft zuerst.
• Strompreise. Die Betriebskosten hängen vom Strompreis ab, geteilt durch den Preis des Brennstoffs, den er ersetzt. Wo Strom mehr als dreimal so viel kostet wie Gas pro kWh, wie in Großbritannien, benötigt die Wärmepumpe einen jährlichen COP von nahezu 3, um sich allein auf den Betriebskosten auszugleichen.
• Fähigkeiten. Gutes Design und Inbetriebnahme machen einen großen Unterschied zu echtem SPF, und Installationsfähigkeiten sind in vielen Ländern knapp.

Reale Projekte, gemessen

Projekt	Wo, wann und wie	Scale	Was wird berichtet
Fraunhofer ISE Feldtest, WPsmart im Bestand	Deutschland, Bestandswohnungen zwischen 1850 und 2001 errichtet, Monitoring ab 2017	Luft- und Bodensysteme in bewohnten Wohnungen	Jahres-LSF: Bodenquelle ca. 4,1 (Bereich ca. 3,3 bis 4,7), Luftquelle ca. 3,1 (Bereich ca. 2,5 bis 3,8) (Fraunhofer ISE)
Ball State University Geothermiesystem	Muncie, Indiana, USA, fertiggestellt 2017	Etwa 3.600 Bohrlöcher, zwei Energiestationen, etwa 65 Millionen US-Dollar	Alle vier Kohle-Heizkessel wurden ersetzt; die Universität verpflichtete sich, fast 80.000 Tonnen weniger Treibhausgase pro Jahr auszustoßen (Wikipedia)
Eversource vernetzter Geothermie-Pilot	Framingham, Massachusetts, Vereinigte Staaten, 2024	Etwa drei Dutzend Häuser und kommunale Gebäude auf einer Meile Schleife	Erstes von einem Versorgungsunternehmen betriebenes Wärmenetz in den USA; ein Schulverwaltungsgebäude, eine Feuerwehr und öffentliche Wohnungen unter den Nutzern; etwa $18.6 Millionen; das Netz soll sich verdoppeln (PBS NewsHour, 2025)
Colorado Mesa University Geo-Austausch	Grand Junction, Colorado, Vereinigte Staaten	16 Gebäude, 1.2 Millionen Quadratmeter, auf einer gemeinsamen Umgebungsschleife	Bietet 90 % der Heizung und Kühlung des Campus; die Universität berichtet über jährliche Energieeinsparungen in Höhe von 1,5 Millionen US-Dollar (US DOE Case Study)
Kessel-Upgrade-Programm	England und Wales, 2022 bis 2026	82.651 Fördergelder für Wärmepumpen und Biomasse-Kessel bis April 2026 ausgezahlt	Bodenwärme ist eine kleine Minderheit: 98% der Anwendungen waren für Luft-Wasser-Wärmepumpen (DESNZ, 2026)

Europas Wärmenetze der fünften Generation, Umgebungstemperaturschleifen, die Wärme zwischen Gebäuden über einzelne Wärmepumpen teilen, wurden an Dutzenden von Standorten überprüft (Buffa et al., 2019). Ihre Effizienz hängt stark davon ab, wie gut Heizung und Kühlung in Balance sind.

Was es kostet

Eine Wärmepumpe erzeugt keinen Strom, daher ist der Vergleich mit unserem standortweiten Benchmark (Dachsolaranlage bei ca. 0,19 $ pro kWh in der Stadt Fan Wandmodell, innerhalb von Lazards Juni 2026-Bereich von $0.09 to $0,20 für gewerbliche Dachsolaranlagen) ist indirekt: Eine Erdwärmepumpe wandelt jede kWh dieses Solarstroms in etwa vier kWh Wärme um. Der direkte Konkurrent ist ein Gaskessel, und das faire Maß sind die Kosten pro kWh Wärme, inklusive der Installation.

Wir verwenden britische Zahlen, da sie öffentlich und aktuell sind: Mediane installierte Kosten aus dem Boiler Upgrade Scheme für Januar bis März 2026 (£ 27.352 für Erdwärmequelle, £ 13.100 für Luftquellen, beide inklusive Mehrwertsteuer) (DESNZ); die £7.500 Zuschuss; Preis-Cap Einheitspreise für Oktober bis Dezember 2026 von 26,32p pro kWh Strom und 7,97p pro kWh Gas (Ofgem); die Fraunhofer-Feld-SPFs; ein Haus, das jährlich 12.000 kWh Wärme verbraucht; und 20 Jahre zu einem realen Diskontsatz von 7 %, wie auf unserer Windseite; für den Gasboiler nehmen wir einen installierten Wert von 3.000 £ und einen Wirkungsgrad von 90 % an.

Heizungsanlage	Installierte Kosten	Betriebskosten pro kWh Wärme	Gesamtkosten pro kWh Wärme, ohne Zuschuss	Mit dem £7,500-Stipendium
Gas-Heizkessel	3.000 £ (angenommen)	8,9p	11.2p	Nicht förderfähig
Luft-Wärmepumpe, SPF 3.1	£13,100	8,5p	18,8p	13,9p
Erdwärmepumpe, SPF 4.1	£27,352	6,4p	27,9p	22.0p

*Unsere Berechnung. Dauerhafte Gebühren und Wartungskosten werden nicht berücksichtigt; sie sind für alle Optionen gleich.

Der Tisch ist unbequem, und das sollte er auch sein.Zu britischen Preisen kostet eine Erdwärmepumpe für ein Einfamilienhaus etwa doppelt so viel pro kWh Wärme wie Gas, selbst mit der Förderung, fast ausschließlich wegen der Installation. Die laufenden Kosten sind bereits geringer. Das Bild ändert sich, wenn:

• Strom ist im Vergleich zu Gas billiger, wie in Schweden, Norwegen und Frankreich oder mit einem Nutzungszeittarif.
• Die Erdschleife hält länger als 20 Jahre. Gut installierte Bohrlöcher überleben voraussichtlich mehrere Wärmepumpen; verteilt auf 50 statt 20 Jahre sinken die jährlichen Kosten der Schleife um etwa ein Viertel.
• Viele Gebäude teilen sich ein Bohrfeld, Schnittdesign, Mobilisierung und Bohrkosten pro Haus und Kühllasten lassen den Boden wieder aufladen.
• Die Alternative ist Öl-, Flüssiggas- oder Direktelektroheizung, die mehr als Gas kosten.
• Das Gebäude benötigt sowohl Kühlung als auch Heizung, die das gleiche System zu geringen Mehrkosten bereitstellt.

Wo es gewinnen kann und wo nicht

Es kann gewinnen:

• Campus, Krankenhäuser, Büros und Neubaugebiete, wo ein Bohrfeld viele Gebäude versorgt und sowohl Heizung als auch Kühlung benötigt werden.
• Off-Gas-Netz Häuser und Bauernhöfe Ersatz von Öl oder LPG.
• Kaltes Klima, wo Luftwärmepumpen in den kältesten Wochen zu kämpfen haben und der Boden seine Temperatur behält.
• Straßen bauen ihr Gasnetz neu. Wärmenetze, die von Versorgungsunternehmen betrieben werden, wie das von Framingham, könnten alternde Gasleitungen durch gemeinsame Wasserschleifen ersetzen.
• Neubau, wo vor dem Fundament Bohrlöcher gebohrt werden können und die Fußbodenheizung die Vorlauftemperatur niedrig hält.

Es kann nicht gewinnen:

• Einzelne bestehende Häuser, wo Gas billig und Strom teuer ist, wie die Kostentabelle zeigt, es sei denn, der Installationspreis sinkt stark.
• Dichte, alte Stadtblöcke ohne Platz zum Bohren.
• Schlecht isolierte Gebäude mit kleinen Heizkörpern, bis das Gebäude verbessert wird.
• Als Stromquelle. Es verbraucht Strom, es produziert ihn nicht.

Was ist bewiesen, plausibel und spekulativ

Nachgewiesen: Die Carnot-Grenze und die Bedeutung des niedrigen Temperaturanstiegs; stabile Bodentemperaturen; Feld gemessene jährliche SPFs um 4 für gut konzipierte Erdwärmesysteme; Jahrzehnte zuverlässiger Betrieb in Schweden, der Schweiz, Deutschland und Nordamerika; Campus-Systeme ersetzen Kohle und Gas.

Plausible: Versorgungsunternehmens-eigene Wärmenetze, die Erdwärme für gewöhnliche Straßen erschwinglich machen; viel billigere Bohrungen durch bessere Bohrgeräte, Standarddesigns und Maßstäbe; Bohrfelder, die Sommerwärme für den Winterspeicher nutzen.

Spekulativ: Installationskosten nahe denen eines Gaskessels für Einfamilienhäuser; Wärmepumpen, die im Feld weit über 60% der Carnot-Grenze liegen; tiefe Bohrlöcher (500 m und mehr), die billig genug werden, um in dichten Städten genutzt zu werden.

Offene Forschungsfragen

• Günstigere Bohrungen. Die Bohrung kann die größte Kostenquelle eines Erdquellensystems sein. Schnellere Bohrgeräte, flachere Dichte-Arrays, Energiepfähle in Fundamenten und horizontale Richtbohrungen benötigen alle reale Kostendaten.
• Netzwerkdesign. Wie man gemeinsame Schleifen und Bohrfelder so dimensioniert, dass Heizung und Kühlung über Jahrzehnte hinweg ausgeglichen werden, und wer sie besitzen sollte.
• Echte Leistung im Maßstab. Unabhängige Überwachung von Netzwerken wie Framinghams: jährliche SPF, Pumpenenergie, Bodentemperaturtrends und Kundenrechnungen.
• Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial. Propan- und CO2-Wärmepumpen mit hohem Wirkungsgrad und sicherer Installation im Innenbereich.
• Netzeffekte. Wie Millionen von Wärmepumpen den Winterspitzenbedarf verändern und wie Erdwärmesysteme ihn im Vergleich zur Luftquelle reduzieren.
• Retrofit Wege. Die günstigste Reihenfolge der Isolierung, Heizkörper-Upgrades und Wärmepumpen für verschiedene Arten von Haus.

Was ein funktionierender Prototyp benötigt

Wärmepumpen selbst sind ausgereift; die nützlichen Ideen liegen in billigeren Erdschleifen, gemeinsamen Netzen und intelligenterer Steuerung. Ein funktionierendes Modell sollte gemessene Wärme liefern, mit gemessenem Strom und Wärme.

Phase	Arbeit	Entscheidung, die es ermöglicht	Grobe Kosten	Time
1. Schreibtischstudie	Wärmebedarf von realen Gebäuden, Bodendaten aus geologischen Untersuchungen, Schleifenplanung mit Standardsoftware, Kostenvoranschläge von Bohrfirmen	Ist die Idee pro kW günstiger als heutige Bohrlöcher?	$5k to $20k	2 bis 3 Monate
2. Testschleife	Ein Bohrloch oder ein neues Boden-Wärmetauscher-Design mit einem thermischen Antworttest, einer kleinen Wärmepumpe, Wärme- und Stromzählern, Bodentemperatursensoren	Gemessene Wärme pro Meter und SPF über einen Winter	$30k to $80k	6 bis 12 Monate
3. Straßenpilot	5 bis 20 Gebäude auf einer gemeinsamen Schleife, ein Jahr an Messdaten, Kundenrechnungen	Reale Kosten pro Haushalt und pro kWh Wärme	$0.5M to $3M	18 bis 24 Monate

Wen wir brauchen

• Geologen und Hydrogeologen Um den Boden zu lesen und Bohrfelder zu modellieren.
• Bohrunternehmer, die bereit sind, neue Methoden zu testen und echte Kosten zu teilen.
• Wärmepumpen- und HLK-Ingenieure für Planung, Inbetriebnahme und Überwachung.
• District-Energie- und Versorgungsplaner für gemeinsame Netze und Eigentumsmodelle.
• Bauphysik-Spezialisten für Retrofit-Sequenzierung und Niedertemperaturstrahler.
• Ökonomen und Tarifplaner, Wärme fair zu preisen und Flexibilität zu belohnen.

Haben Sie eine bessere Idee?

Einige Mitglieder der Stiftung haben vielleicht Kontakte, die einen Pitch für eine starke Energieidee hören könnten. Um pitcht zu werden, braucht eine Idee einen Ein funktionierendes, reales Modell, das tatsächlich Strom produziert; für eine Wärmeidee wie diese bedeutet das ein Modell, das gemessene Wärme liefert, deren Ausgang und Stromverbrauch auf Instrumenten protokolliert werden, nicht beansprucht. Papierideen sind ebenfalls willkommen: Wenn die Physik und die Zahlen stimmen, können wir sie hier auf der Website veröffentlichen. Aber Kapital zu beschaffen ohne ein funktionierendes Modell ist sehr schwierig, und nichts hier ist ein Versprechen von Finanzierung, Renditen oder Einführungen.

Senden Sie Ihre Idee über das Beitragsformular mit dem Problem, das sie löst, der physikalischen Prüfung, einem ungefähren Kosten pro kWh Wärme und dem billigsten Test, der sie falsch beweisen könnte. Wenn Sie ein funktionierendes Modell haben, fügen Sie die gemessene Leistung hinzu und wie Sie sie gemessen haben. Die Energiequellen-Seite vergleicht diese und die anderen Alternativen auf dem Ideenradar.

Quellen

1. Wikipedia. Ball State University: Geothermie-System im Jahr 2017 fertiggestellt.
2. IEA (2022). Die Zukunft der Wärmepumpen.
3. Fraunhofer ISE. WPsmart im Bestand: Wärmepumpen in Bestandsgebäuden, Feldversuch.
4. Wikipedia. Geothermale Wärmepumpe: Bohrlochtiefen, Bodentemperaturen und der geothermische Gradient.
5. Abteilung für Energiesicherheit und Net Zero (2026). Statistiken zum Kessel-Upgrade-Programm, April 2026, Tabellen Q1.1A und 1.1.
6. Ofgem (2026). Energiepreis-Obergrenzen für Einheiten, 1. Oktober bis 31. Dezember 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Unwahrscheinliche Allianz baut sauberes Geothermie-Energienetz in der Gemeinde Massachusetts.
8. ↑ US-Energieministerium. Geothermische Wärmepumpe Fallstudie: Colorado Mesa University.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. und Fedrizzi, R. (2019). Fernwärme- und Fernkältesysteme der 5. Generation: eine Übersicht über bestehende Fälle in Europa. Zeitschrift für Nachhaltige Energie 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. und Hawkes, A. (2012). Eine Übersicht über Haushalts-Wärmepumpen. Energie- und Umweltwissenschaften 5, 9291.
11. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, Version 19.
12. Local Solar System Die Stiftung. Das offene Modell der Fan Wall: Der Solar-Benchmark für Dachanlagen von 0,19 US-Dollar pro kWh.